JP2021089286A - Integrating nanopore sensors within microfluidic channel arrays using controlled breakdown - Google Patents

Integrating nanopore sensors within microfluidic channel arrays using controlled breakdown Download PDF

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Abstract

To provide a device for fabricating nanopore sensors by controlled breakdown.SOLUTION: An apparatus for fabricating nanopores in a membrane composed of a dielectric membrane includes: a first substrate 14 with a microchannel 4 to be used in common formed on an exposure surface; a support 16 arranged on the exposure surface and configured to hold a membrane 12; a second substrate 15 with one or more microfluidic channels 5 formed on an inner surface, the second substrate being disposed on the support with the inner surface facing the support such that the one or more microfluidic channels are fluidly separated by the membrane from the common microchannel; and a pair of electrodes including a reference electrode arranged on one side of the membrane and two or more additional electrodes arranged on the opposite side of the membrane. The pair of electrodes generates an electric potential across the membrane. The two or more additional electrodes are disposed on the membrane so that the electric field may be uniform across the membrane.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

関連出願へのクロスリファレンス
本出願は、2014年12月19日に出願された米国仮出願第62/094,669号の優先権の利益を主張する。上記出願の開示内容全体を、本明細書に援用する。
Cross-reference to related applications This application claims the priority benefit of US Provisional Application No. 62 / 094,669 filed December 19, 2014. The entire disclosure of the above application is incorporated herein by reference.

本開示は、固体膜における制御破壊(CBD)によるマイクロ流体チャネルにおけるナノポアセンサの作製に関する。 The present disclosure relates to the fabrication of nanopore sensors in microfluidic channels by controlled fracture (CBD) in solid membranes.

ナノポアは現在、単一分子を電気的に検出できる十分に確立された非標識センサの類である。この技術は、イオン溶液に浸漬した薄い絶縁膜にあるナノスケールの開口の両側に電圧を印加することに頼っており、得られるイオン電流の変動を、ナノポアを通って電気泳動的に駆動されるDNAやタンパク質などの荷電した個々の生体分子の移動に付随させることができる。こうしたコンダクタンスの変化から、移動している分子の長さ、サイズ、電荷、形状に関する情報が得られる。DNAシーケンシング、タンパク質の検出とアンフォールディング、単一分子質量分析および力分光法をはじめとする多岐にわたる単一分子研究がゆえ、この技術が特に魅力的なものとなっている。 Nanopores are now a class of well-established unlabeled sensors capable of electrically detecting a single molecule. This technique relies on applying voltages to both sides of a nanoscale opening in a thin insulating film immersed in an ionic solution, and the resulting ionic current fluctuations are electrophoretically driven through the nanopores. It can be associated with the migration of individual charged biomolecules such as DNA and proteins. These changes in conductance provide information about the length, size, charge, and shape of the moving molecule. This technique is particularly attractive because of its wide range of single molecule studies, including DNA sequencing, protein detection and unfolding, single molecule mass spectrometry and force spectroscopy.

ナノポアは、脂質二重層膜にタンパク質ポアを組み込むことによって形成されることもあれば、薄い固体膜に作製されることもある。生物学的ポアではノイズ特性を極めて低くすることができるが、支持体として従来利用されている脂質二重層膜が非常に脆いため、ポアの寿命と印加可能な電圧が制限され、よって、いくつかの用途が限定される。一方、固体ナノポアは、印加電圧、温度、pHなどのより広範囲の実験条件でより耐久性が高く、サイズもその場で調整可能である。一般論として、固体ナノポアを用いるほうが、丈夫なラボオンチップデバイスにアレイとして一体化しやすい。事実、最近の研究では、このようなナノポアをマイクロ流体ネットワークに埋め込む様々な一体化戦略が明らかになっている。これらの研究で用いられるナノポアは一般に、高エネルギーのイオンまたは電子ビームを使用して、極めて薄い(10nm〜50nm)誘電膜(例えば、SiN)に構築される。しかしながら、FIBまたはTEMを用いてナノポアを作製すると、一体化の点で課題が生じる。エネルギー粒子ビームでの穿孔には直進的なアクセスが必要であることから、マイクロ流体デバイスにおける一体化前にナノポアを作製することが求められる。このためには、ナノポアの作製とデバイス組み立ての両方でアライメント要件が厳しくなり、結果として、特に電気ノイズを最小限に抑えるためにマイクロ流体チャネルの寸法を小さくする場合や単膜でのアレイ形成用で、機能的デバイスの歩留まりが制限されるという課題が生じる。より一般的には、これらの従来のナノファブリケーション技術は真空環境下でのナノポア作製に依存しており、必然的に、バイオセンシング実験用の水溶液に移行する際に、取り扱い上のリスクと濡れの問題を招くことになる。 Nanopores may be formed by incorporating protein pores into a lipid bilayer membrane or may be made into a thin solid membrane. Biological pores can have extremely low noise properties, but the very brittle lipid bilayer membranes traditionally used as supports limit the life of the pores and the voltage that can be applied, thus limiting some. Uses are limited. Solid nanopores, on the other hand, are more durable under a wider range of experimental conditions such as applied voltage, temperature and pH, and their size can be adjusted in place. In general, solid nanopores are easier to integrate into a robust lab-on-a-chip device as an array. In fact, recent research has revealed various integration strategies for embedding such nanopores in microfluidic networks. The nanopores used in these studies are generally constructed on very thin (10 nm-50 nm) dielectric films (eg SiN) using high energy ion or electron beams. However, the fabrication of nanopores using FIB or TEM poses a problem in terms of integration. Since perforation with an energy particle beam requires straight-ahead access, it is required to fabricate nanopores prior to integration in microfluidic devices. This results in tighter alignment requirements for both nanopore fabrication and device assembly, resulting in smaller microfluidic channel dimensions and single membrane array formation, especially to minimize electrical noise. This raises the issue of limiting the yield of functional devices. More generally, these traditional nanofabrication techniques rely on nanopore fabrication in a vacuum environment, which inevitably leads to handling risks and wetness when moving to aqueous solutions for biosensing experiments. Will lead to problems.

最近、高電場を利用して固体ナノポアを高信頼度で作製する別の方法が提案され、本明細書では、これを制御破壊(CBD)によるナノポア作製という。支持している完全な絶縁膜および一般的な生物センシングの実験条件(例えば、1M KCl中)では、絶縁膜に絶縁破壊イベントを誘発することで、直径1nmと小さいが1nm未満の精度で大きなサイズに調整可能な単一のナノポアが形成される。CBD法の単純さは、複雑なマイクロ流体アーキテクチャにおけるナノポアセンサの一体化と、将来性のあるラボオンチップデ
バイスに十分に役立つ。マイクロ流体デバイスに固有の先進的なサンプルハンドリング・処理能力を、その場でのナノポア作製と組み合わせることにより、一体化に伴う様々な問題の緩和と、センシングプラットフォームの応用範囲拡大が期待される。この作製技術に関するさらなる詳細については、発明の名称が「Fabrication of Nanopores using High Electric Fields」であり、内容全体が本明細書に援用される、米国特許出願公開第2015/0108808号から明らかである。
Recently, another method for producing solid nanopores with high reliability using a high electric field has been proposed, and this is referred to as nanopore production by controlled fracture (CBD) in the present specification. Under supporting complete insulating film and common biological sensing experimental conditions (eg, in 1M KCl), the dielectric breakdown event is induced in the insulating film, resulting in a small diameter of 1 nm but a large size with an accuracy of less than 1 nm. A single adjustable nanopore is formed. The simplicity of the CBD method is sufficient for the integration of nanopore sensors in complex microfluidic architectures and for future lab-on-a-chip devices. By combining the advanced sample handling and processing capabilities inherent in microfluidic devices with in-situ nanopore fabrication, it is expected that various problems associated with integration will be alleviated and the range of applications of sensing platforms will be expanded. Further details regarding this fabrication technique are apparent from US Patent Application Publication No. 2015/010808, wherein the title of the invention is "Fabrication of Nanopores Using High Electric Fields" and the entire content is incorporated herein by reference.

このセクションは、必ずしも先行技術ではない本開示に関する背景情報を提供する。 This section provides background information regarding this disclosure, which is not necessarily prior art.

このセクションは、開示の大ざっぱな概要を提供するものであり、その全範囲またはそのすべての特徴の包括的な開示ではない。 This section provides a high-level overview of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all its features.

膜に1つ以上のナノポアを作製するための装置が提示される。この装置は、共通に使用されるマイクロチャネルが露出面に形成された第1の基板と、第1の基板の露出面上に配置され、膜を保持するように構成された支持体と、内側の面に1本以上のマイクロ流体チャネルが形成された第2の基板であって、1本以上のマイクロ流体チャネルが膜によって共通に使用されるマイクロチャネルから流体的に分離されるように内側の面が支持体と向かい合うようにして支持体上に配置された第2の基板と、膜の両側に電位差を発生させる一組の電極と、を含む。一組の電極は、膜の一方の側に配置された基準電極と、膜の反対側に配置された2つ以上の追加の電極とを含み、2つ以上の追加の電極は、膜全体の電場が均一になるように膜に対して配置されている。いくつかの実施形態では、膜の両側の電位差が、0.1ボルト/ナノメートルより大きい値を有する電場を生じる。 A device for making one or more nanopores on the membrane is presented. The device includes a first substrate with commonly used microchannels formed on the exposed surface, a support arranged on the exposed surface of the first substrate and configured to hold the membrane, and inside. A second substrate in which one or more microfluidic channels are formed on the surface of the inner surface so that the one or more microfluidic channels are fluidly separated from the microchannels commonly used by the membrane. It includes a second substrate arranged on the support with its surface facing the support and a set of electrodes that generate a potential difference on both sides of the membrane. A set of electrodes includes a reference electrode located on one side of the membrane and two or more additional electrodes located on the opposite side of the membrane, with the two or more additional electrodes being the entire membrane. It is arranged with respect to the membrane so that the electric field is uniform. In some embodiments, the potential difference on both sides of the membrane produces an electric field with a value greater than 0.1 volt / nanometer.

この装置は、電極のうちの1つに電気的に連結され、1本以上のマイクロ流体チャネルのうちの1つと共通に使用されるマイクロチャネルとの間を流れる電流を測定するように動作可能な電流センサと、電流センサとインタフェースされたコントローラと、をさらに含み、コントローラは、ポアの形成を示す測定された電流の急な増加を検出し、測定された電流の前記急な増加の検出に応答して、膜の両側に発生させた電位差を消失させる。 The device is electrically connected to one of the electrodes and can operate to measure the current flowing between one of one or more microfluidic channels and a commonly used microchannel. Further including a current sensor and a controller interfaced with the current sensor, the controller detects a sudden increase in the measured current indicating the formation of a pore and responds to the detection of the sudden increase in the measured current. Then, the potential difference generated on both sides of the membrane is eliminated.

一実施形態では、2つ以上の追加の電極は、膜の上流で1本以上のマイクロ流体チャネルに配置された第1の電極と、膜の下流で1本以上のマイクロ流体チャネルに配置された第2の電極と、を含む。 In one embodiment, two or more additional electrodes were placed in a first electrode located upstream of the membrane in one or more microfluidic channels and in one or more microfluidic channels downstream of the membrane. Includes a second electrode.

いくつかの実施形態では、第2の基板の内側の面に複数のマイクロ流体チャネルが形成されている。各々のマイクロチャネルは、関連した一組の電極を有する。このように、ナノポアのアレイ(マイクロ流体チャネルの数に対応)を膜に作製することができる。 In some embodiments, a plurality of microfluidic channels are formed on the inner surface of the second substrate. Each microchannel has a set of associated electrodes. In this way, an array of nanopores (corresponding to the number of microfluidic channels) can be made into the membrane.

他の実施形態では、膜は、支持体を使用せずに第1の基板上に直接配置されていてもよい。このような実施形態では、一組の電極は、一方が膜の上流、他方が膜の下流であるように共通に使用されるマイクロチャネルに配置された2つの基準電極を含んでもよい。 In other embodiments, the film may be placed directly on the first substrate without the use of a support. In such an embodiment, the set of electrodes may include two reference electrodes arranged in a commonly used microchannel such that one is upstream of the membrane and the other is downstream of the membrane.

本開示のもうひとつの態様では、中間層が、支持体上に直接配置され、よって、支持体と第2の基板との間に配置されている。この場合、膜に1つ以上のナノポアを作製するための装置は、共通に使用されるマイクロチャネルが露出面に形成された第1の基板と、第1の基板の露出面上に配置され、膜を保持するように構成された支持体と、支持体上に配置され、少なくとも1つのビアが形成された中間層と、内側の面に1本以上のマイクロ流体チャネルが形成された第2の基板であって、1本以上のマイクロ流体チャネルが膜によって共通に使用されるマイクロチャネルから流体的に分離されるように内側の面が支持体
と向かい合うようにして中間層上に配置された第2の基板と、膜の表裏に配置された一対の電極と、を含む。一対の電極は、膜の両側に電位差を発生させる。中間層の1つ以上のビアは、1本以上のマイクロ流体チャネルを膜の露出面と流体的に連結し、ビアの中と周囲で均一な電場を発生させるように構成されている。いくつかの実施形態では、膜の両側の電位差が、0.1ボルト/ナノメートルより大きい値を有する電場を生じる。
In another aspect of the present disclosure, the intermediate layer is placed directly on the support and thus between the support and the second substrate. In this case, the device for producing one or more nanopores on the film is arranged on the exposed surface of the first substrate and the exposed surface of the first substrate in which commonly used microchannels are formed on the exposed surface. A support configured to hold the membrane, an intermediate layer placed on the support with at least one via formed, and a second with one or more microfluidic channels formed on the inner surface. A first substrate that is placed on an intermediate layer with its inner surface facing the support so that one or more microfluidic channels are fluidly separated from the microfluidic channels commonly used by the membrane. Includes 2 substrates and a pair of electrodes arranged on the front and back of the film. The pair of electrodes creates a potential difference on both sides of the membrane. One or more vias in the intermediate layer are configured to fluidly connect one or more microfluidic channels to the exposed surface of the membrane to generate a uniform electric field in and around the vias. In some embodiments, the potential difference on both sides of the membrane produces an electric field with a value greater than 0.1 volt / nanometer.

この装置は、電極のうちの1つに電気的に連結され、1本以上のマイクロ流体チャネルのうちの1つと共通に使用されるマイクロチャネルとの間を流れる電流を測定するように動作可能な電流センサと、電流センサとインタフェースされたコントローラと、をさらに含み、コントローラは、ポアの形成を示す測定された電流の急な増加を検出し、測定された電流の前記急な増加の検出に応答して、膜の両側に発生させた電位差を消失させる。 The device is electrically connected to one of the electrodes and can operate to measure the current flowing between one of one or more microfluidic channels and a commonly used microchannel. Further including a current sensor and a controller interfaced with the current sensor, the controller detects a sudden increase in the measured current indicating the formation of a pore and responds to the detection of the sudden increase in the measured current. Then, the potential difference generated on both sides of the membrane is eliminated.

いくつかの実施形態では、第2の基板の内側の面に複数のマイクロ流体チャネルが形成されている。各々のマイクロチャネルは、関連した一組の電極を有する。このように、ナノポアのアレイ(マイクロ流体チャネルの数に対応)を膜に作製することができる。 In some embodiments, a plurality of microfluidic channels are formed on the inner surface of the second substrate. Each microchannel has a set of associated electrodes. In this way, an array of nanopores (corresponding to the number of microfluidic channels) can be made into the membrane.

他の実施形態では、膜は、支持体を使用せずに第1の基板上に直接配置されていてもよい。このような実施形態では、一組の電極は、一方が膜の上流、他方が膜の下流であるように共通に使用されるマイクロチャネルに配置された2つの基準電極を含んでもよい。 In other embodiments, the film may be placed directly on the first substrate without the use of a support. In such an embodiment, the set of electrodes may include two reference electrodes arranged in a commonly used microchannel such that one is upstream of the membrane and the other is downstream of the membrane.

本開示のさらに別の態様では、1本以上のマイクロ流体チャネルは、膜の領域全体に均一な電場を発生させるようにして膜に隣接して通っているため、必要な電極の数が低減される。一実施形態では、マイクロ流体チャネルがチャネルに配置された電極の下流でループを形成し、ループの一部が膜の上を通っている。 In yet another aspect of the present disclosure, one or more microfluidic channels run adjacent to the membrane so as to generate a uniform electric field over the entire region of the membrane, thus reducing the number of electrodes required. To. In one embodiment, the microfluidic channel forms a loop downstream of the electrode placed in the channel, with a portion of the loop passing over the membrane.

いくつかの実施形態では、1つ以上の制御バルブがマイクロ流体チャネルに配置され、マイクロ流体チャネルを通る流れの量を制御するように動作する。制御バルブは、空気圧源に流体的に連結され、この空気圧源によって作動されるエラストマーポリマーによって実現されてもよい。 In some embodiments, one or more control valves are arranged in the microfluidic channel and operate to control the amount of flow through the microfluidic channel. The control valve may be implemented by an elastomeric polymer that is fluidly coupled to an pneumatic source and operated by this pneumatic source.

いくつかの実施形態では、第2の基板の内側の面に複数のマイクロ流体チャネルが形成されている。各々のマイクロチャネルは、関連した一組の電極を有する。このように、ナノポアのアレイ(マイクロ流体チャネルの数に対応)を膜に作製することができる。また、マイクロ流体チャネルのアレイの各マイクロ流体チャネルは、膜の一部を通り、少なくとも2つの制御バルブが内部に配置され、一方のバルブは膜の上流に配置され、他方のバルブは前記膜の下流に配置されている。このように、マイクロ流体チャネルのアレイに配置された制御バルブを通る流れを調節することによって、膜の両側の電位差の値が制御される。 In some embodiments, a plurality of microfluidic channels are formed on the inner surface of the second substrate. Each microchannel has a set of associated electrodes. In this way, an array of nanopores (corresponding to the number of microfluidic channels) can be made into the membrane. Also, each microfluidic channel in the array of microfluidic channels passes through a portion of the membrane, with at least two control valves located internally, one valve located upstream of the membrane, and the other valve of the membrane. It is located downstream. In this way, the value of the potential difference on both sides of the membrane is controlled by adjusting the flow through the control valves arranged in the array of microfluidic channels.

本明細書で提供される説明から、さらに利用可能な領域が明らかになるであろう。このサマリーにおける説明および具体例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定するものではない。 Further available areas will be apparent from the description provided herein. The descriptions and examples in this summary are for illustration purposes only and are not intended to limit the scope of this disclosure.

本明細書で説明される図面は、選択された実施形態の例示のみを目的とし、可能なすべての実現形態ではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものでもない。 The drawings described herein are for illustration purposes only, and are not intended to limit the scope of the present disclosure, nor are they intended to limit the scope of the present disclosure.

図面の複数の図をとおして、対応する参照符合は対応する部分を示す。 Throughout the drawings, the corresponding reference marks indicate the corresponding parts.

図1は、膜の片側に電極が1つ挿入された、ナノポアを作製するための装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for producing nanopores, in which one electrode is inserted on one side of the membrane. 図2Aおよび図2Bは、5本の独立したマイクロ流体チャネルを有する装置の例示的な実施形態の断面図であり、それぞれ膜の上に直接配置された5本のマイクロ流体チャネルを有する装置の上から撮影された反射光学像を示す。2A and 2B are cross-sectional views of an exemplary embodiment of a device having five independent microfluidic channels, each on a device having five microfluidic channels placed directly on the membrane. The reflection optical image taken from is shown. 図3Aから図3Cは、図2Aに示す装置の組立方法の一例を示す概略図である。3A to 3C are schematic views showing an example of an assembly method of the apparatus shown in FIG. 2A. 図4Aから図4Cは、膜の表面領域全体に均一な電場を発生させるのに使用できる、異なる電極配置を示す概略図である。4A-4C are schematics showing different electrode arrangements that can be used to generate a uniform electric field over the surface region of the film. 図5Aおよび図5Bは、マイクロビア層を有する装置の第2の例示的な実施形態の断面図であり、膜の上に直接配置されているが、マイクロビア層によって膜から隔離された5本のマイクロ流体チャネルを有する装置の上から撮影された反射光学像を示す。5A and 5B are cross-sectional views of a second exemplary embodiment of an apparatus having a microvia layer, five that are placed directly on top of the membrane but separated from the membrane by the microvia layer. The catoptric image taken from above the device having the microfluidic channel of. 図6Aおよび図6Bは、それぞれ、マイクロ流体ビアのある装置とない装置における電場の有限要素モデリングを示す画像である。図6Cおよび図6Dは、それぞれ、図6Aおよび図6Bに示されるナノポアを囲む電場の画像を拡大したものである。図6Eは、10Vの電圧を印加した場合(ナノポア作製の場合のように)、厚さ20nmのSiN膜の途中の面に沿って測定した電場の大きさを示すグラフである。図6Fは、マイクロビアのない装置の電場の大きさを示すグラフである。6A and 6B are images showing finite element modeling of the electric field in devices with and without microfluidic vias, respectively. 6C and 6D are magnified images of the electric field surrounding the nanopores shown in FIGS. 6A and 6B, respectively. FIG. 6E is a graph showing the magnitude of the electric field measured along a surface in the middle of a SiN film having a thickness of 20 nm when a voltage of 10 V is applied (as in the case of nanopore fabrication). FIG. 6F is a graph showing the magnitude of the electric field of the device without micro vias. 図7Aおよび図7Bは、(a)10VでCBDによるナノポア形成の数秒前にSiN膜を通るリーク電流、(b)単一の5チャネルデバイス上に独立して作製された5つのナノポアに対するコンダクタンスに基づくモデルを用いてナノポア直径を推測するのに使用される電流−電圧(I−V)曲線を示すグラフである。7A and 7B show (a) leakage current through the SiN film seconds before nanopore formation by CBD at 10V, and (b) conductance for five nanopores independently made on a single 5-channel device. It is a graph which shows the current-voltage (IV) curve used to estimate the nanopore diameter using the based model. 図8Aおよび図8Bは、マクロ的なセル(黒)、5チャネルデバイス(青色)、マイクロビアのある5チャネルデバイス(赤色)の(a)パワースペクトル密度(PSD)ノイズ比較、(b)電流トレースを示すグラフである。すべての測定は、電圧を印加せず、ナノポアを作製せずに行われ、250KHzでサンプリングし、pH7.5の1M KCl中、4極ベッセルフィルタによって100kHzでローパスフィルタリングした。8A and 8B show (a) power spectral density (PSD) noise comparisons, (b) current traces for macro cells (black), 5-channel devices (blue), and 5-channel devices with microvias (red). It is a graph which shows. All measurements were performed with no voltage applied and no nanopores made, sampled at 250 KHz and low-pass filtered at 100 kHz with a 4-pole Bessel filter in 1 M KCl at pH 7.5. 図9Aおよび図9Bは、(a)10.5nmのポアを用いた、印加電圧−200mVでのヒトα−トロンビン検出、(b)−200mV(黒四角)、−250mV(赤三角)、−300mV(青丸)で11.5nmのポアを通る10kb dsDNAの移動について、正規化した平均電流ブロック(0%はポアが完全に開いた状態、100%はポアが完全にブロック状態を示す)とトータルのイベント時間を示す散布図である。それぞれのデータポイントが、単一のイベントを表す。挿入図は、生体分子がナノポアと相互作用するときの一時的な電流ブロックを示す。明確にするために、挿入図ではデータに−1を乗算した。9A and 9B show (a) human α-thrombin detection at an applied voltage of -200 mV using a pore of 10.5 nm, (b) -200 mV (black square), -250 mV (red triangle), -300 mV. Normalized average current block (0% indicates fully open pores, 100% indicates fully blocked pores) and total for 10 kb dsDNA transfer through 11.5 nm pores in (blue circles). It is a scatter diagram which shows the event time of. Each data point represents a single event. The inset shows a temporary current block as biomolecules interact with nanopores. For clarity, the inset figure multiplied the data by -1. 図10Aおよび図10Bは、制御チャネルに圧力を印加していない場合と印加した場合の例示的なマイクロメカニカル空気バルブの断面図である。10A and 10B are cross-sectional views of an exemplary micromechanical air valve with and without pressure applied to the control channel. 図11は、5対の空気バルブを備え、1対の電極を使用する5×1アレイデバイスの概略上面図である。FIG. 11 is a schematic top view of a 5 × 1 array device with 5 pairs of air valves and a pair of electrodes. 図12は、2つの上側の電極を使用する5×1アレイデバイスの概略上面図である。FIG. 12 is a schematic top view of a 5 × 1 array device using two upper electrodes. 図13は、2対の空気バルブと2つの上側の電極を有する2×1アレイデバイスの概略上面図である。FIG. 13 is a schematic top view of a 2x1 array device with two pairs of air valves and two upper electrodes.

例示的な実施形態を、添付の図面を参照してより完全に説明する。 An exemplary embodiment will be described more fully with reference to the accompanying drawings.

図1は、膜12に1つ以上のナノポアを作製するための装置10を示す。この装置は主に、上側の(第1の)基板14、下側の(第2の)基板15、上側の基板14と下側の基
板15との間に配置された支持体16からなる。支持体16は、対向する平面13を画定する誘電薄膜12を保持するように構成されている。例示目的で、上側の基板14には単一のマイクロ流体チャネル4が形成され、これより大きな共通に使用されるマイクロ流体チャネル5が、下側の基板15に形成されている。電圧源18に電気的に連結された1対の電極17を使用し、マイクロ流体チャネル4、5の各々に1つずつ電極をおいて、膜の両側に電位差を発生させる。以下でさらに説明するように、電極を異なる配置にして装置に上述したよりも多くのマイクロ流体チャネルを設けてもよい。
FIG. 1 shows an apparatus 10 for producing one or more nanopores on the film 12. This device mainly consists of an upper (first) substrate 14, a lower (second) substrate 15, and a support 16 arranged between the upper substrate 14 and the lower substrate 15. The support 16 is configured to hold the dielectric thin film 12 that defines the opposing planes 13. For illustrative purposes, a single microfluidic channel 4 is formed on the upper substrate 14, and a larger commonly used microfluidic channel 5 is formed on the lower substrate 15. A pair of electrodes 17 electrically connected to the voltage source 18 is used, one electrode is placed on each of the microfluidic channels 4 and 5, and a potential difference is generated on both sides of the membrane. As further described below, the electrodes may be arranged differently to provide the device with more microfluidic channels than described above.

装置10はさらに、一方の電極に電気的に連結された電流センサ(図示せず)と、電流センサおよび電圧源18とインタフェースされたコントローラ19とを含む。動作時、電流センサは、膜を通って流れる電流を測定する。そしてコントローラ19が測定された電流の急な増加を検出し、測定された電流の急な増加の検出に応答して、以下でさらに説明するように、膜を挟んで両側に発生させた電位差を消失させる。 The device 10 further includes a current sensor (not shown) electrically connected to one of the electrodes, a current sensor and a controller 19 interfaced with a voltage source 18. During operation, the current sensor measures the current flowing through the membrane. Then, the controller 19 detects the sudden increase in the measured current, and in response to the detection of the sudden increase in the measured current, the potential difference generated on both sides of the film is generated as described further below. Make it disappear.

図2Aおよび図2Bは、装置10’の例示的な実施形態をさらに示す。この例示的な実施形態では、500×500μm2で厚さ20nmの露出したSiN膜(SiMPore
Inc. SN100−A20Q05)を有する市販のシリコンチップ(例えば、フレームサイズ3mm)が支持体16として機能し、これをアーキテクチャの異なる複数のマイクロ流体チャネルアレイ間に実装した。図2Aを参照すると、本明細書に提示された装置10’は、独立して扱うことが可能な5本のマイクロ流体チャネル21を膜12の片側に含む形状を利用し、膜12の反対側には、1本の共通に使用されるマイクロチャネル22で通じていた。具体的には、装置10’は、図2Bで最もよくわかる、膜12で幅15μmまで次第に細くなる幅200μmの太いチャネル(高さ50μm)である独立した5本のマイクロ流体チャネル21からなるアレイを含んでいた。独立した5本のチャネル21は各々、互いに25μmずつ離れている。この実施形態では、独立した5本のマイクロ流体チャネルを示したが、他の実施形態では、これよりも多いまたは少ない数のマイクロ流体チャネルを形成してもよいことは、容易に理解できよう。
2A and 2B further show exemplary embodiments of device 10'. In this exemplary embodiment, an exposed SiN film (SiMPore) measuring 500 × 500 μm 2 and having a thickness of 20 nm.
Inc. A commercially available silicon chip (eg, frame size 3 mm) with SN100-A20Q05) served as the support 16 and was mounted between multiple microfluidic channel arrays of different architectures. Referring to FIG. 2A, the apparatus 10'presented herein utilizes a shape that includes five independently treatable microfluidic channels 21 on one side of the membrane 12 and on the opposite side of the membrane 12. Was communicated by one commonly used microchannel 22. Specifically, the apparatus 10'is an array of five independent microfluidic channels 21, which are the thickest channels (height 50 μm) with a width of 200 μm that gradually narrow to a width of 15 μm at the membrane 12, as best seen in FIG. 2B. Included. The five independent channels 21 are each 25 μm apart from each other. In this embodiment, five independent microfluidic channels have been shown, but it is easy to see that in other embodiments, more or fewer microfluidic channels may be formed.

例示的な実施形態では、ソフトフォトリソグラフィで作成したマスターモールドからパターン形成したポリジメチルシロキサンPDMS(Dow Corningから入手したSylgard 184、7:1(w/w)比)を使用して、ソフトリソグラフィで各層を作製した。すべての構成において、一番下の層は、スライドガラスに接着した(酸素プラズマ接着、AutoGlow Research)幅250μm×高さ100μmの単一の流体チャネル22を含む約3mm厚のPDMS層からなっていた。ナノポアまで流体を通すことができるように、シリコンチップのエッチング側を上に載置した下側の共通に使用されるマイクロチャネル22に、2mmの穴を手で穿孔した。その後、PDMSの薄層(100±10μm)をチップ16の周りにスピンコートして、シリコンチップの厚さを補正し、複数のマイクロ流体チャネルを接着できる滑らかでシールされた表面を残した。スピンコーティングの後、このPDMS薄層を80℃のホットプレート上で20分間、硬化させた。 In an exemplary embodiment, soft lithography uses polydimethylsiloxane PDMS (Sylgard 184, 7: 1 (w / w) ratio obtained from Dow Corning) patterned from a master mold created by soft photolithography. Each layer was prepared. In all configurations, the bottom layer consisted of a PDMS layer about 3 mm thick containing a single fluid channel 22 bonded to a glass slide (oxygen plasma adhesion, AutoGlow Research) 250 μm wide x 100 μm high. .. A 2 mm hole was manually drilled in the commonly used lower microchannel 22 on which the etched side of the silicon chip was placed so that the fluid could pass through to the nanopores. A thin layer of PDMS (100 ± 10 μm) was then spin-coated around the chip 16 to correct the thickness of the silicon chip, leaving a smooth, sealed surface on which multiple microfluidic channels could be bonded. After spin coating, the PDMS thin layer was cured on a hot plate at 80 ° C. for 20 minutes.

図3A〜図3Cは、この作製プロセスをさらに示す。提示されたデバイスは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)で作られたマイクロ流体デバイスにおいて、市販の窒化ケイ素(SiN)膜(SN100−A20Q05、SiMPore Inc.)を一体化するものである。PDMS層については、ソフトリソグラフィで作製し、シリコンウェハ上のSU8−2050フォトレジスト(Microchem Inc.)からなるマスターモールドから複製した。得られる特徴の最終的な所望の厚さ(高さ)に応じて、異なるスピン速度、焼成時間および温度、UV露光および現像時間を用いて、各マイクロ流体層(マイクロ流体ビア、独立したチャネル層および共通に使用されるチャネル層)を作製した。 3A-3C further illustrate this fabrication process. The presented device integrates a commercially available silicon nitride (SiN) membrane (SN100-A20Q05, SiMPore Inc.) in a microfluidic device made of polydimethylsiloxane (PDMS). The PDMS layer was prepared by soft lithography and replicated from a master mold made of SU8-2050 photoresist (Microchem Inc.) on a silicon wafer. Each microfluidic layer (microfluidic vias, independent channel layer) with different spin rates, firing times and temperatures, UV exposure and developing times, depending on the final desired thickness (height) of the features obtained. And a commonly used channel layer).

各マスターモールドの作製に続いて、まずウエハをアミノシランで処理してPDMSを除去しやすくした。次に、PDMS(全ての層で7:1(w/w)ベース:硬化剤)を各チャネル層用のマスターモールドに注ぎ、続いて真空チャンバ内で30分間脱気し、80℃で2時間焼成した。その後、硬化したPDMSを離型してマイクロチャネル構造を作製した。次に、個々のデバイスコンポーネントを切り出し、独立したチャネル(流体チューブの場合は外径0.75mm、電極の場合は外径1.25mm)に流体および電極導入のためのアクセス穴を穿孔した。共通に使用されるマイクロチャネルの中央に2.0mmの穴を手で穿孔して、チップの底に流体を通すことができるようにした。図3Aを参照して、酸素プラズマ(Glow Research AutoGlow)を用いて、穿孔した穴の上の共通チャネル層にシリコンチップ(エッチングされた側)を接着した。すべてのプラズマ接着工程を30Wで30秒間行った。 Following the fabrication of each master mold, the wafer was first treated with aminosilane to facilitate the removal of PDMS. Next, PDMS (7: 1 (w / w) base for all layers: hardener) was poured into the master mold for each channel layer, followed by degassing in a vacuum chamber for 30 minutes and at 80 ° C. for 2 hours. It was fired. Then, the cured PDMS was released from a mold to prepare a microchannel structure. The individual device components were then cut out and perforated with access holes for fluid and electrode introduction in independent channels (outer diameter 0.75 mm for fluid tubes, outer diameter 1.25 mm for electrodes). A 2.0 mm hole was manually drilled in the center of the commonly used microchannel to allow fluid to pass through the bottom of the chip. With reference to FIG. 3A, oxygen plasma (Glow Research AutoGlow) was used to bond the silicon chips (etched side) to the common channel layer above the perforated holes. All plasma bonding steps were performed at 30 W for 30 seconds.

シリコンチップの厚さを補正し、(マイクロ流体ビア層のある場合とない場合の)両方の構成で独立した(上側の)チャネルを接着するための平坦で平滑な表面を残すために、PDMSの薄層(約100±10μm)をチップの周りにスピンコートした(500rpmで5秒、続いて1000rpmで10秒)。この薄層をホットプレートに直接置いて80℃で20分間、硬化させた。 PDMS to correct the thickness of the silicon chip and leave a flat, smooth surface for bonding independent (upper) channels in both configurations (with and without the microfluidic via layer). A thin layer (approximately 100 ± 10 μm) was spin coated around the chip (500 rpm for 5 seconds, followed by 1000 rpm for 10 seconds). The thin layer was placed directly on a hot plate and cured at 80 ° C. for 20 minutes.

マイクロ流体チャネルに流体を通すことができ、電気が通じるようにするために、電解質(またはイオン)溶液が流れるPEEKチューブとAg/AgCl電極を密着させる接着の前に、流体的に分離された上側のチャネルと下側の共通に使用されるチャネルの各々に穴を穿孔した。膜の中心から約5mmの位置に電極を配置することにより、ナノポアまで至るマイクロチャネルの抵抗が1M KCl電解質溶液中で約100kΩすなわち、直径10nmのナノポアを含むデバイスの全電気抵抗の約1%未満に制限される。最後に、共通に使用されるチャネルを清潔なスライドガラスに接着した。以上、特定の作製技術について言及したが、他のリソグラフィ技術も本開示の範囲に含まれることは理解できよう。 A fluidly separated upper side prior to bonding the Ag / AgCl electrode to the PEEK tube through which the electrolyte (or ionic) solution flows so that fluid can pass through the microfluidic channel and conduct electricity. Holes were drilled in each of the channels in and the lower commonly used channels. By placing the electrode approximately 5 mm from the center of the membrane, the resistance of the microchannel to the nanopores is approximately 100 kΩ in a 1 M KCl electrolyte solution, i.e. less than approximately 1% of the total electrical resistance of the device containing the nanopores 10 nm in diameter. Limited to. Finally, the commonly used channels were glued to a clean glass slide. Although the specific fabrication technique has been mentioned above, it can be understood that other lithography techniques are also included in the scope of the present disclosure.

マイクロ流体チャネルに電解質溶液を導入する直前に、組み立てたデバイスを70Wで5分間酸素プラズマ処理し、マイクロチャネルの親水性を高めた。次に、マイクロ流体チャネルをポリエチレンチューブでサンプルバイアルに接続し、高精度の圧力調整器を用いてバイアルを加圧してフローを開始した。1M KCl溶液(pH7.5)を流し、適度の印加電圧(例えば、0.2V〜1V)下でマイクロ流体チャネル間のイオン電流を測定しようとすることで、ナノポアの作製前に、マイクロ流体チャネル間の効果的なシール(>10GΩ)を試験した。 Immediately before introducing the electrolyte solution into the microfluidic channel, the assembled device was treated with oxygen plasma at 70 W for 5 minutes to increase the hydrophilicity of the microchannel. The microfluidic channel was then connected to the sample vial with a polyethylene tube and the vial was pressurized using a precision pressure regulator to initiate the flow. By running a 1M KCl solution (pH 7.5) and attempting to measure the ion currents between the microfluidic channels under a moderate applied voltage (eg 0.2V to 1V), the microfluidic channels are prior to fabrication of the nanopores. An effective seal between them (> 10 GΩ) was tested.

装置の機能性を向上させるために、装置の製造に使用するマイクロ流体材料からコンタミナントやモノマーを除去する必要がある。特に、ポリジメチルシロキサン(PDMS)片についてはデバイスの組み立て前に溶媒で化学処理すべきであり、プラズマ処理を用いれば、マイクロ流体一体化の結果として膜の表面にあるコンタミナントを除去することができる。 Contaminations and monomers need to be removed from the microfluidic materials used in the manufacture of the device in order to improve the functionality of the device. In particular, polydimethylsiloxane (PDMS) pieces should be chemically treated with a solvent prior to device assembly, and plasma treatment can be used to remove contaminants on the surface of the membrane as a result of microfluidic integration. it can.

本開示の一態様によれば、マイクロ流体チャネルに電極を配置すると、絶縁膜の領域全体で均一な電場につながるはずである。図4A〜図4Dに見られるようなマイクロ流体アーキテクチャに応じて、様々な電極配置を使用できる。薄い絶縁膜に単一のマイクロチャネルを配置する場合、マイクロ流体チャネルの下流側のどこかで膜の片側に配置した1対の電極が、膜表面全体に不均一な電場を生じることになる。しかしながら、同一のマイクロ流体チャネルにおいて同じ電位にバイアスさせた2つの電極を膜の両側に配置すると(すなわち、一方の電極が膜の上流、他方の電極は膜の下流にある)、図4Aに最もよく見られるように、電場の均一性を高めることができる。この例では、一組の電極30を用い
て膜12の両側に電位差を発生させる。一組の電極30は、膜の下に位置する基準電極33と、膜の上に位置する2つ以上の追加の電極32とを含む。具体的には、2つの電極32は、上側の基板のマイクロ流体チャネルに配置されるのに対し、基準電極33は、下側の基板の共通に使用されるマイクロ流体チャネルに配置される。2つの追加の電極32は、膜全体の電場が均一になるように膜に対して配置される。例えば、追加の電極32のうち一方が膜の上流に配置され、追加の電極32のうち他方は膜の下流に配置されてもよい。2つの追加の電極の他の配置も、本開示によって企図される。
According to one aspect of the present disclosure, placing electrodes in the microfluidic channel should lead to a uniform electric field over the entire area of the insulating film. Various electrode arrangements can be used, depending on the microfluidic architecture as seen in FIGS. 4A-4D. When a single microchannel is placed in a thin insulating film, a pair of electrodes placed on one side of the film somewhere downstream of the microfluidic channel will generate a non-uniform electric field over the entire membrane surface. However, if two electrodes biased to the same potential in the same microfluidic channel are placed on either side of the membrane (ie, one electrode is upstream of the membrane and the other electrode is downstream of the membrane), the most in FIG. 4A. As is often the case, the uniformity of the electric field can be increased. In this example, a set of electrodes 30 is used to generate a potential difference on both sides of the film 12. A set of electrodes 30 includes a reference electrode 33 located below the membrane and two or more additional electrodes 32 located above the membrane. Specifically, the two electrodes 32 are arranged in the microfluidic channel of the upper substrate, while the reference electrode 33 is arranged in the commonly used microfluidic channel of the lower substrate. The two additional electrodes 32 are arranged with respect to the membrane so that the electric field throughout the membrane is uniform. For example, one of the additional electrodes 32 may be located upstream of the membrane and the other of the additional electrodes 32 may be located downstream of the membrane. Other arrangements of the two additional electrodes are also contemplated by the present disclosure.

図2Aを参照すると、支持体16の下面は、ビアが果たす役割と同様に電場を均一に形づくるのを助けるテーパ凹部13を含み、それによって単一の基準電極33を使用できるようになる。 Referring to FIG. 2A, the underside of the support 16 includes a tapered recess 13 that helps shape the electric field uniformly, similar to the role played by the vias, which allows a single reference electrode 33 to be used.

いくつかの実施形態では、膜12は、支持体16を使用することなく、下側の基板15の上に直接配置され、この基板によって支持されてもよい。これらの実施形態では、図4Cに見られるように、第2の基準電極33を膜の下側に配置することができる。特に、一方の基準電極33は膜の上流に配置され、他方の2つの基準電極33は膜の下流に配置されてもよい。このようにして、2つの基準電極33は、膜に近接した電極場を均一に形づくるように機能する。 In some embodiments, the membrane 12 may be placed directly on the lower substrate 15 and supported by this substrate without the use of a support 16. In these embodiments, the second reference electrode 33 can be placed underneath the membrane, as seen in FIG. 4C. In particular, one reference electrode 33 may be located upstream of the membrane and the other two reference electrodes 33 may be located downstream of the membrane. In this way, the two reference electrodes 33 function to uniformly form the electrode field close to the film.

図4Bは、別の電極配置を示す。この配置では、膜表面全体で同様に均一な電場を達成するために、イオン溶液の入ったループ状のマイクロ流体チャネル36に単一の電極35が配置されている。マイクロ流体チャネル36は、電極35の下流にループを形成し、ループの一部分が膜の上を通っている。そのような装置のバルブが加圧され、下の流路を閉鎖する。ナノポア作製プロセスの間に、バルブの圧力が解除されることになる(マイクロ流体チャネルが開放される)。このように、ループ状のチャネルを通る電解質溶液の存在がゆえ、電場が均一に形づくられる。上記の構成は、(例えば、図11に見られるように)マイクロバルブ技術を使用するいくつかのマイクロ流体チャネルに合わせて規模を変えることができる。この別の構成では、図4Aとの関連で説明したように単一の基準電極33を膜の下に配置してもよいし、図4Bとの関連で説明したように、2つの基準電極を使用してもよいことが、理解される。 FIG. 4B shows another electrode arrangement. In this arrangement, a single electrode 35 is arranged in the looped microfluidic channel 36 containing the ionic solution in order to achieve a similarly uniform electric field over the entire membrane surface. The microfluidic channel 36 forms a loop downstream of the electrode 35, and a part of the loop passes over the membrane. The valves of such devices are pressurized and close the lower flow path. During the nanopore fabrication process, valve pressure will be released (microfluidic channels will be opened). Thus, due to the presence of the electrolyte solution through the looped channels, the electric field is uniformly formed. The above configuration can be scaled for several microfluidic channels using microvalve technology (eg, as seen in FIG. 11). In this alternative configuration, a single reference electrode 33 may be placed under the membrane as described in the context of FIG. 4A, or two reference electrodes may be placed under the membrane as described in the context of FIG. 4B. It is understood that it may be used.

同様に均一な電場を達成するために、マイクロ流体チャネルでマイクロ電極をパターン化することもできる。これらの表面パターニングされた電極は、同じ電位に保持され、上述のように配置されて、均一な電場を生じることができる。絶縁膜を中心とする円形の電極も、電場の均一性を保証することができる。パターン化された単一の微小電極については、絶縁膜の真上または個々のマイクロ流体チャネル各々の中でパターニングすることができる。このような表面でパターン化された電極は、ナノポアの大規模なアレイが形成される場合があるカスタム設計のチップで特に有益であろう。均一な電場を生じる電極配置の他の変形例も、本開示によって企図される。 Similarly, microelectrodes can be patterned with microfluidic channels to achieve a uniform electric field. These surface-patterned electrodes are held at the same potential and can be arranged as described above to produce a uniform electric field. A circular electrode centered on the insulating film can also guarantee the uniformity of the electric field. A single patterned microelectrode can be patterned directly above the insulating film or within each of the individual microfluidic channels. Such surface-patterned electrodes will be particularly useful for custom-designed chips where large arrays of nanopores may be formed. Other modifications of the electrode arrangement that produce a uniform electric field are also contemplated by the present disclosure.

本開示の別の態様では、マイクロ流体システムにマイクロビアを加え、ビアの中とその周囲で電場を形成しやすくすることができる。図5Aおよび図5Bは、装置10’’の第2の例示的な実施形態を示す。この実施形態では、装置は同じく、上側の基板14、下側の基板15、上側の基板と下側の基板との間に配置された支持体16で構成される。支持体16は、対向する平面13を画定する誘電薄膜12を保持するように同様に構成されている。この実施形態では、支持体16上に中間層19が形成され、上側の基板14と支持体16との間に配置されている。中間層19に1つ以上のビア51を形成し、ビアの中とその周りに均一な電場を生じるように構成することができる。 In another aspect of the present disclosure, microvias can be added to the microfluidic system to facilitate the formation of electric fields in and around the vias. 5A and 5B show a second exemplary embodiment of the device 10 ″. In this embodiment, the apparatus is also composed of an upper substrate 14, a lower substrate 15, and a support 16 arranged between the upper substrate and the lower substrate. The support 16 is similarly configured to hold the dielectric thin film 12 defining the opposing planes 13. In this embodiment, an intermediate layer 19 is formed on the support 16 and is arranged between the upper substrate 14 and the support 16. One or more vias 51 may be formed in the intermediate layer 19 so as to generate a uniform electric field in and around the vias.

この第2のマイクロ流体構成は、各マイクロチャネルでのCBDによるナノポア形成を
膜の中央に局在化させ、イオン溶液に曝露される膜の面積を最小化することによって高周波電気ノイズをさらに低減するように設計された。この第2の構成では、幅が15μmと一定で長さが40μmから120μmまで変化する矩形の開口がアレイ状に設けられた厚さ200μmのPDMS層を使用して、膜の中心を覆う十分に画定された領域にマイクロ流体チャネルを連結するマイクロ流体ビアを形成した。独立したチャネルを接着できる薄い(200μm)マイクロ流体ビア層を作製するために、脱気したPDMSをそのマスターモールドにスピンコートし(500rpmで5秒、続いて800rpmで10秒間)、ホットプレートに直接置いて80℃で30分間、硬化させた。SiN膜の上にマイクロ流体ビアと独立したチャネル層を正確に配置するために、すべてのアライメントステップを、OAI DUV/NUVマスクアライナー(モデル206)を用いて行った。次に、この層を初期設計と同様に独立した5本のPDMSマイクロ流体チャネルのアレイに接着した。上述の点を除いて、装置10’’の第2の実施形態を、図3A〜図3Cとの関連で説明した方法と同じ方法で作製した。
This second microfluidic configuration further reduces high frequency electrical noise by localizing CBD nanopore formation at each microchannel in the center of the membrane and minimizing the area of the membrane exposed to the ionic solution. Designed to In this second configuration, a 200 μm thick PDMS layer with an array of rectangular openings with a constant width of 15 μm and varying lengths from 40 μm to 120 μm is used to adequately cover the center of the membrane. A microfluidic via connecting the microfluidic channels was formed in the defined area. To create a thin (200 μm) microfluidic via layer to which independent channels can be adhered, degassed PDMS is spin-coated on its master mold (500 rpm for 5 seconds, followed by 800 rpm for 10 seconds) and directly onto the hot plate. It was placed and cured at 80 ° C. for 30 minutes. All alignment steps were performed using an OAI DUV / NUV mask aligner (model 206) to accurately place the channel layer independent of the microfluidic vias on the SiN membrane. This layer was then glued to an array of five independent PDMS microfluidic channels as in the initial design. Except for the above points, a second embodiment of apparatus 10 ″ was made in the same manner as described in the context of FIGS. 3A-3C.

マイクロ流体構成にマイクロビア層を追加することの効果を理解するために、(マイクロ流体ビアがある場合とない場合の)両方のデバイス形状における電場の有限要素モデルを調査した。デバイスの構成を2Dで作成し、COMSOL Multiphysics
Modeling SoftwareのElectric Currentsモジュールにおけるコンピュータ上の研究を使用して、電場をモデル化した。両方の形状を、最初に完全な膜(すなわち膜に水溶液の流通がない)で調べ、次いでナノポアあり(膜に20nmの流体導管がある状態)で調べた。
To understand the effect of adding a microvia layer to the microfluidic configuration, we investigated a finite element model of the electric field in both device geometries (with and without microfluidic vias). Create the device configuration in 2D and COMSOL Multiphysics
The electric field was modeled using a computer study in the Electrical Currants module of Modeling Software. Both shapes were examined first with a complete membrane (ie, no aqueous solution flow through the membrane) and then with nanopores (with a 20 nm fluid conduit in the membrane).

図6Aは、独立したマイクロチャネルが膜上に直接配置されたデバイスの形状を示し、図6Bは、マイクロ流体ビアを含むデバイスを示す。どちらのデバイスも、膜の中心に20nmのポアを含む。図6Dのナノポアを囲む領域の拡大図から、マイクロ流体ビア構成におけるナノポアのすぐ近くの電場が、膜とポアで比較的均一であることがわかる。これは、電場の強度が、膜の両側のナノポアから均一に減衰するという事実によって際立つ。さらに、両電極がナノポアの左側まで3mmの位置に配置されているにもかかわらず、電場線が左から右に対称である。一方、図6Cは、同じ条件下で、マイクロ流体ビアのないデバイスでは電場線が完全に不均一であることを示している。電場線と電場強度はいずれも、膜の全体でも、独立した(上側の)マイクロチャネルで左から右でも異なっている。 FIG. 6A shows the shape of the device in which independent microchannels are placed directly on the membrane, and FIG. 6B shows the device containing microfluidic vias. Both devices contain a 20 nm pore in the center of the membrane. From the enlarged view of the region surrounding the nanopores in FIG. 6D, it can be seen that the electric field in the immediate vicinity of the nanopores in the microfluidic via configuration is relatively uniform between the membrane and the pores. This is accentuated by the fact that the strength of the electric field decays uniformly from the nanopores on either side of the membrane. Furthermore, the electric field lines are symmetrical from left to right, even though both electrodes are located 3 mm to the left of the nanopore. On the other hand, FIG. 6C shows that under the same conditions, the electric field lines are completely non-uniform in devices without microfluidic vias. Both field lines and field intensities differ from left to right in the entire membrane as well as in independent (upper) microchannels.

これらの構成での電場の形状をさらに研究すると、CBDを用いたナノポア作製が、非対称な電極配置によっても影響され得ることがわかる。図6Eは、マイクロ流体ビアのあるデバイスと、マイクロ流体ビアのないデバイスにおける完全な膜の水平断面を通る電場の大きさを示す。この例では、実際に使用されるナノポア作製条件をシミュレートするために、膜を横切る10Vの電圧を印加した。マイクロ流体ビアを含むデバイスは、露出した膜の長さ全体で均一な電場を示すが、独立した(上側の)マイクロチャネルが膜上に直接配置されたデバイスは、電極が配置される側に近いほど強い電場を示す。 Further study of the shape of the electric field in these configurations reveals that nanopore fabrication using CBD can also be affected by asymmetric electrode placement. FIG. 6E shows the magnitude of the electric field through the horizontal cross section of the complete membrane in devices with microfluidic vias and devices without microfluidic vias. In this example, a voltage of 10 V across the membrane was applied to simulate the nanopore fabrication conditions actually used. Devices containing microfluidic vias exhibit a uniform electric field over the length of the exposed membrane, whereas devices with independent (upper) microchannels placed directly on the membrane are closer to the side where the electrodes are placed. Shows a moderately strong electric field.

両方の例示的な実施形態では、膜の上で一体化された独立したマイクロ流体チャネルの各々で絶縁破壊イベントを誘発することで、個々のナノポアを作製した。簡単に説明すると、これはカスタムビルドの電子回路を用いて高電場を印加して行った。共通に使用される接地したマイクロチャネルとの10V〜14Vの電圧を、独立したマイクロ流体チャネルの1つに印加し、数分または数秒でナノポアを作製した。膜の両側の電位差は、1ナノメートルあたり0.1ボルトより大きい値を有する電場を生じる。また、この電圧は、SiN膜を通るリーク電流を誘発した。これをリアルタイムで監視する(図7A参照)。単一ナノポアの形成は、あらかじめ定められた閾値を超えるリーク電流の突然の急な増加によって検出され、それによって印加電圧は0.1秒の応答時間でカットオフされる。閾値
電流および応答時間を変化させ、破壊イベントに続いて所望の結果として得られるナノポアサイズを達成することができるが、本明細書で説明するサイズは、典型的には直径2nm未満(タイトなカット条件)であった。次に、このプロセスを、上側の流体的に分離された各マイクロチャネルで繰り返し、単一の膜上であるが異なるマイクロ流体チャネルにおいて、独立して扱うことが可能なナノポアを形成する。ナノポアの作製後、Axopatch 200B(Molecular Devices)低雑音電流増幅器を用いて、電気的キャラクタリゼーションと単一分子センシングのセンシティブな測定を行った。
In both exemplary embodiments, individual nanopores were made by inducing dielectric breakdown events at each of the independent microfluidic channels integrated over the membrane. Briefly, this was done by applying a high electric field using a custom-built electronic circuit. A voltage of 10V-14V with a commonly used grounded microchannel was applied to one of the independent microfluidic channels to create nanopores in minutes or seconds. The potential difference on both sides of the membrane produces an electric field with a value greater than 0.1 volt per nanometer. This voltage also induced a leak current through the SiN film. This is monitored in real time (see FIG. 7A). The formation of a single nanopore is detected by a sudden sudden increase in leakage current above a predetermined threshold, which cuts off the applied voltage with a response time of 0.1 seconds. Although threshold currents and response times can be varied to achieve the desired nanopore size following a disruption event, the sizes described herein are typically less than 2 nm in diameter (tight cuts). Condition). This process is then repeated in each of the upper fluidly separated microchannels to form nanopores that can be treated independently in different microfluidic channels on a single membrane. After fabrication of the nanopores, sensitive measurements of electrical characterization and single molecule sensing were performed using an Axopatch 200B (Molecular Devices) low noise current amplifier.

特定の生体分子を検出するための所望の大きさのナノポアを得るために、各ナノポアを上述のように作製し、膜の両側に−5Vおよび+5Vのパルスを交互に印加することで形づくった高電場を用いて調整した。この処理を用いて電気ノイズ特性を最適化した上、マクロ的な流体リザーバを用いる過去の研究で報告された結果と同等の結果になる実験をさらに行うために、詰まったナノポアを回復させる。このコンディショニング技術に関するさらなる詳細は、発明の名称が「Method for Controlling the Size of Solid−State Nanopores」である米国特許出願公開第2015/0109008号に見いだすことができ、その内容全体を本明細書に援用する。 Heights formed by making each nanopore as described above and alternating -5V and + 5V pulses on both sides of the membrane to obtain nanopores of the desired size for detecting a particular biomolecule. Adjusted using an electric field. This process is used to optimize electrical noise characteristics and then recover the clogged nanopores for further experiments with results comparable to those reported in previous studies with macroscopic fluid reservoirs. Further details regarding this conditioning technique can be found in US Patent Application Publication No. 2015/0109088, wherein the title of the invention is "Method for Controlling the Size of Solid-State Nanopores", the entire contents of which are incorporated herein by reference. To do.

CBDによって作製された各ナノポアの直径を推測するために、印加電圧を−200mVから+200mVまで掃引する際に各ナノポアを通過するイオン電流を監視することで、ナノポアのコンダクタンスGを溶液中で直接測定した。円筒形を想定し、アクセス抵抗30を考慮することによって、ナノポアの有効直径dを、そのコンダクタンスから以下の関係式で計算することができる。 To estimate the diameter of each nanopore produced by CBD, the conductance G of the nanopores is measured directly in solution by monitoring the ionic current passing through each nanopore as the applied voltage is swept from -200 mV to +200 mV. did. By assuming a cylindrical shape and considering the access resistance 30, the effective diameter d of the nanopore can be calculated from its conductance by the following relational expression.

Figure 2021089286
Figure 2021089286

式1において、σは電解質のバルク伝導度であり、Lは、SiN膜の公称厚さと等しいと仮定したナノポアの有効長である。図2(c)の電流−電圧(I−V)曲線は、単一の5チャネルデバイスにおいて、サイズが3nm〜10nmである独立して形成された5つのナノポアについて、1M KCl(pH7.5)(σ=10.1±0.1Sm−1)におけるオーミック応答を示す。式1の表面電荷からの寄与を無視することによって生じる誤差は、ここで使用する高塩濃度の場合に、ナノポアの算出有効直径の精度に<0.5nmだけ影響を及ぼし、電解質伝導度と膜厚の値に起因する誤差は、ナノポア直径の不確実さに約0.3nmの影響を及ぼす。 In Equation 1, σ is the bulk conductivity of the electrolyte and L is the effective length of the nanopores, which is assumed to be equal to the nominal thickness of the SiN film. The current-voltage (IV) curve of FIG. 2 (c) shows 1 M KCl (pH 7.5) for five independently formed nanopores of size 3 nm to 10 nm in a single 5-channel device. The ohmic response at (σ = 10.1 ± 0.1Sm-1) is shown. The error caused by ignoring the contribution from the surface charge of Equation 1 affects the accuracy of the calculated effective diameter of the nanopores by <0.5 nm at the high salinity used here, and the electrolyte conductivity and film. The error due to the thickness value affects the uncertainty of the nanopore diameter by about 0.3 nm.

性能をさらに特徴づけるために、イオン電流のパワースペクトル密度プロット(PSD)を、2つのマイクロ流体アーキテクチャのそれぞれで作製したナノポアについて取得した(図8A参照)。低周波ノイズ(1kHz未満)は一般に1/fタイプであるが、高周波ノイズは電解質溶液に曝露される表面領域で生じるデバイスの誘電特性とキャパシタンスに左右される。したがって、溶液に曝露される表面を最小にすることにより、この高周波ノイズの低減につながり、高帯域幅での生体分子センシング時の信号対雑音比が大幅に改善される。これを図8Aに示す。ここでは、両方の5チャネルデバイス(マイクロビアのある場合とない場合)を、標準的なマクロ流体セルの流体リザーバの間に取り付けたナノポアチップと比較している。この高い周波数範囲では、(マイクロビアなしの)5チャネルマイクロ流体デバイスは、マクロ的なセルで得られたものに匹敵するノイズ特性を示す。この結果は、このレジームのノイズが、マクロ的リザーバで約3×105μm2、標準的な5チャネルデバイスのマイクロチャネルで約2×105μm2と算出された、膜の
露出領域の量に起因するという議論と一致する。しかしながら、5チャネルデバイスの最小のマイクロビア(40×15μm2)を使用して、膜の露出領域が350分の1の約6×102μm2まで小さくなると、高周波ノイズが大幅に低減される。このノイズ低減は、図8Bに示す電圧を印加しない各デバイスのベースラインのイオン電流トレースによってさらに際立つが、ここで、100kHz帯域幅でのピークツーピークノイズは、マイクロビアのある構成では2分の1に減少(帯域幅10kHzで5)し、RMSノイズは10kHzで7分の1、100kHzの帯域幅では2分の1に減少する。
To further characterize the performance, power spectral density plots (PSDs) of ion currents were obtained for nanopores made with each of the two microfluidic architectures (see Figure 8A). Low frequency noise (less than 1 kHz) is generally 1 / f type, but high frequency noise depends on the dielectric properties and capacitance of the device that occurs in the surface area exposed to the electrolyte solution. Therefore, minimizing the surface exposed to the solution leads to a reduction in this high frequency noise and a significant improvement in the signal-to-noise ratio during biomolecule sensing at high bandwidths. This is shown in FIG. 8A. Here, both 5-channel devices (with and without microvias) are compared to nanopore chips mounted between fluid reservoirs in standard macrofluid cells. At this high frequency range, 5-channel microfluidic devices (without microvias) exhibit noise characteristics comparable to those obtained with macroscopic cells. This result argues that the noise in this regime is due to the amount of exposed area of the membrane, calculated to be about 3 x 105 μm2 for the macro reservoir and about 2 x 105 μm 2 for the microchannel of a standard 5-channel device. Match. However, using the smallest microvia (40 x 15 μm 2) of a 5-channel device, the high frequency noise is significantly reduced when the exposed area of the film is reduced to about 1/350, about 6 x 102 μm 2. This noise reduction is further accentuated by the baseline ion current traces of each device without the voltage shown in FIG. 8B, where peak-to-peak noise in the 100 kHz bandwidth is halved in configurations with microvia. It is reduced to 1 (5 at 10 kHz bandwidth), and RMS noise is reduced to 1/7 at 10 kHz and 1/2 at 100 kHz bandwidth.

図9Aおよび図9Bを参照し、生体分子の移動を観察することによって、これらのデバイスの機能性を評価した。いずれの場合も、上述したように、まずはナノポアを作製し、所望の直径に拡大した。サンプルの導入後、圧力調整器をオフにすることによって、マイクロ流体チャネルにおける流れを最小限にした。図9Aは、250μM濃度の個々のヒトα−トロンビン(Haematological Technologies,Inc.)分子が、1M KCl(pH8.0)において(ビアなしで)マイクロ流体チャネルの10.5nmのナノポアを用いて検出されるときのコンダクタンスの遮断と期間の散布図を示す。ここでは、5本の独立した上側のマイクロ流体チャネルのうちの1本にタンパク質分子をロードし、接地した下側の共通に使用されるチャネルに対して−200mVでバイアスさせた。全体に、5,000を超える個々のイベントが観察された。図9Bは、マイクロビアを含むマイクロチャネルに局在化された、11.5nmの異なるナノポアを通るDNA移動イベントについての同様の散布図を示す。ここでは、2M KCl(pH10)中の10kbpのdsDNAの3pM溶液を上側のマイクロチャネルに加え、共通に使用されるチャネルに対して−200mV、−250mV、−300mVのバイアスを印加し、1,500を超える移動イベントを得た。タンパク質と単一レベルのdsDNAでの両方のイベントで得られたコンダクタンスブロックの大きさが、過去に報告された、標準的なマクロ流体セルを用いたモデルおよび実験と一致することは注目に値する。 The functionality of these devices was evaluated by observing the movement of biomolecules with reference to FIGS. 9A and 9B. In each case, as described above, nanopores were first prepared and expanded to the desired diameter. After introduction of the sample, the flow in the microfluidic channel was minimized by turning off the pressure regulator. FIG. 9A shows individual human α-thrombin (Haematological Technologies, Inc.) molecules at 250 μM concentrations detected at 1 M KCl (pH 8.0) using 10.5 nm nanopores of the microfluidic channel (without vias). A scatter plot of the cutoff of conductance and the period at that time is shown. Here, protein molecules were loaded into one of the five independent upper microfluidic channels and biased at −200 mV against the grounded lower commonly used channel. Overall, over 5,000 individual events were observed. FIG. 9B shows a similar scatter plot for DNA transfer events through different nanopores of 11.5 nm localized in microchannels containing microvias. Here, a 3 pM solution of 10 kbp dsDNA in 2 M KCl (pH 10) is added to the upper microchannel and biases of -200 mV, -250 mV, -300 mV are applied to the commonly used channels to 1,500. Got more than a move event. It is noteworthy that the conductance block sizes obtained at both the protein and single-level dsDNA events are consistent with previously reported models and experiments using standard macrofluid cells.

この手法を使用してナノポアを一体化する場合、マイクロ流体設計を慎重に考慮する必要がある。膜上に直接配置されたマイクロ流体チャネルにおいて一体化されたナノポア(マイクロビアなし)は、試験対象となったデバイスの30%(30個のうち9個)でタンパク質性の試料を捕捉して検出することができたが、核酸の移動を示すことができるデバイスの捕捉効率と実験収率は著しく減少した。ここで、実験収率を定義するのに使用される基準は、1000より多い生体分子移動イベントを検出できるデバイスである。膜に通じるマイクロ流体チャネルに電極を配置すると、上側のマイクロチャネルが単一の電極のみを含む場合には、ナノポア付近や膜で電場の不均一性を生じることに留意することが重要である。この非対称性がゆえ、PDMSマイクロチャネル層への接着時に、より応力を受け得る領域である膜の縁付近(シリコン支持チップの縁付近)に、ナノポアが作製される可能性がある。この領域では、ナノポアの近傍の膜の表面電荷特性がゆえ、あまり荷電していないポリペプチドを通過させつつ、高電荷の大きな核酸ポリマーの移動が静電的に妨害されることがある。しかしながら、マイクロビアを導入すると、ナノポアの作製が膜の中央または縁から離れた意図した領域に局在化され、pH10で試験した4つのデバイスのうち3つで、より対称的な電場となる。上述したように、膜の片側で上側の独立したチャネルに同じ電位でバイアスされた電極の対を組み込むことによって、電場のこの非対称性を減らすことも可能である。この構成では、pH8で試験した6つのデバイスのうち5つで、少なくとも1000個の生体分子移動イベントの検出に成功した。 Microfluidic design must be carefully considered when integrating nanopores using this technique. Integrated nanopores (without microvias) in microfluidic channels placed directly on the membrane capture and detect proteinaceous samples in 30% (9 out of 30) of the devices tested. However, the capture efficiency and experimental yield of devices capable of exhibiting nucleic acid migration were significantly reduced. Here, the criterion used to define the experimental yield is a device capable of detecting more than 1000 biomolecule migration events. It is important to note that placing electrodes in a microfluidic channel leading to the membrane causes electric field heterogeneity near the nanopores and in the membrane if the upper microchannel contains only a single electrode. Due to this asymmetry, nanopores may be formed near the edge of the membrane (near the edge of the silicon support chip), which is a region that is more susceptible to stress during adhesion to the PDMS microchannel layer. In this region, due to the surface charge properties of the membrane near the nanopores, the movement of highly charged large nucleic acid polymers may be electrostatically impeded while allowing less charged polypeptides to pass through. However, with the introduction of microvia, nanopore fabrication is localized to the intended region away from the center or edges of the membrane, resulting in a more symmetrical electric field in three of the four devices tested at pH 10. As mentioned above, it is also possible to reduce this asymmetry of the electric field by incorporating a pair of electrodes biased at the same potential in the upper independent channel on one side of the membrane. In this configuration, 5 out of 6 devices tested at pH 8 succeeded in detecting at least 1000 biomolecule migration events.

本開示のさらに別の態様において、マイクロバルブ技術は、マイクロ流体の大規模一体化を達成する上で役割を果たすことができる。機能的に信頼性の高いマイクロバルブの開発は、完全自動化マイクロ流体システムの小型化と商業化を成功させるための重要な一ステップでもある。マイクロバルブは、流体の流れを制御し、マイクロ流体ネットワーク全体に電気/イオン電流を流すのに使用される。マイクロ流体デバイスにおいてバルブを取
り入れるために、スクリューバルブ、空気圧バルブ、ソレノイドバルブなどの様々な手法を使用することができる。
In yet another aspect of the disclosure, microvalve technology can play a role in achieving large-scale integration of microfluidics. The development of functionally reliable microvalves is also an important step towards the successful miniaturization and commercialization of fully automated microfluidic systems. Microvalves are used to control the flow of fluid and to carry electrical / ion currents throughout the microfluidic network. Various techniques such as screw valves, pneumatic valves, solenoid valves, etc. can be used to incorporate valves in microfluidic devices.

図11は、空気圧駆動のマイクロバルブ技術を使用する装置110の例示的な実施形態を示す。この装置は主に、上側の基板、下側の基板、上側の基板と下側の基板との間に配置された支持体からなり、上述した実施形態で説明したような中間ビア層を含むこともできる。この例示的な実施形態では、5本のマイクロ流体チャネル112が上側の基板に形成される。繰り返すが、他の実施形態では、これより多くのマイクロ流体チャネルを形成することも、少ない数のマイクロ流体チャネルを形成することもできる。 FIG. 11 shows an exemplary embodiment of device 110 using pneumatically driven microvalve technology. The apparatus mainly comprises an upper substrate, a lower substrate, a support arranged between the upper substrate and the lower substrate, and includes an intermediate via layer as described in the above-described embodiment. You can also. In this exemplary embodiment, five microfluidic channels 112 are formed on the upper substrate. Again, in other embodiments, more microfluidic channels can be formed or a smaller number of microfluidic channels can be formed.

マイクロ流体チャネル112は、膜の領域全体に均一な電場を発生させるように、膜に隣接して通される。例えば、各マイクロ流体チャネル112は、電極116の下流でループを形成し、そこでループの一部が膜の上を通る。膜の対向する2つの側から電場線をもたらす異なる閉ループ構成も、本開示の範囲内に入る。 The microfluidic channel 112 is passed adjacent to the membrane so as to generate a uniform electric field over the entire region of the membrane. For example, each microfluidic channel 112 forms a loop downstream of the electrode 116, where a portion of the loop passes over the membrane. Different closed-loop configurations that provide electric field lines from two opposing sides of the membrane are also within the scope of the present disclosure.

制御バルブ114もマイクロ流体チャネル112に配置され、チャネル内の開放されたバルブまたは閉じたバルブによって決まる導電経路を制御するように動作する。例示的な実施形態では、マイクロ流体チャネル112をエラストマーポリマーに埋めて、空気圧駆動のマイクロバルブを達成する。これらのバルブは一般に、ソフトリソグラフィ技術を使用することによって2層で作製される。図10Aおよび図10Bを参照すると、バルブは、図10Aの108に示すように、非常に薄い膜の層で分離された2層で構成されている。一方の層(フロー層)106には、流体を通すためのチャネルがある。分離用の薄膜は、図10Bに示すように、他方の層(制御層)107の制御チャネル(バルブ)が空気または水によって加圧されると、マイクロ流体チャネル側に歪む。これにより、流体(液体電解質)の流れが止まり、結果的にシール状態となる。フローチャネルが閉じる量は、バルブによって電気ネットワークに加わる電気インピーダンスに関連する。例えば、フローチャネルが完全に閉じると、インピーダンスは>10GΩ(正確な値は、電解質の導電率およびバルブの形状による)になることがあり、マイクロ流体ネットワークの当該領域が効果的に隔離される。 The control valve 114 is also located on the microfluidic channel 112 and operates to control the conductive path determined by the open or closed valve in the channel. In an exemplary embodiment, the microfluidic channel 112 is embedded in an elastomeric polymer to achieve a pneumatically driven microvalve. These valves are generally made in two layers by using soft lithography techniques. With reference to FIGS. 10A and 10B, the valve is composed of two layers separated by a layer of very thin membrane, as shown in 108 of FIG. 10A. One layer (flow layer) 106 has a channel for passing a fluid. As shown in FIG. 10B, the separation thin film is distorted toward the microfluidic channel side when the control channel (valve) of the other layer (control layer) 107 is pressurized by air or water. As a result, the flow of the fluid (liquid electrolyte) is stopped, resulting in a sealed state. The amount of flow channel closure is related to the electrical impedance applied by the valve to the electrical network. For example, when the flow channel is completely closed, the impedance can be> 10 GΩ (the exact value depends on the conductivity of the electrolyte and the shape of the valve), effectively isolating that region of the microfluidic network.

図11に戻り、5本のマイクロ流体チャネル112には各々、少なくとも2つのバルブ114が配置され、膜の両側にバルブが1つずつ配置されている。さらに、各バルブ114は、空気圧源(図示せず)に流体的に連結され、この空気圧源によって作動される。各群のバルブがマイクロ流体チャネル112を閉じる程度を制御することで、バルブ114は、分圧器の可変抵抗器として作用できる。このようにして、バルブを使用して電位が選択されたマイクロ流体チャネルを通るようにして、膜の領域に沿って均一な電場を発生させることができる。 Returning to FIG. 11, at least two valves 114 are arranged in each of the five microfluidic channels 112, and one valve is arranged on each side of the membrane. Further, each valve 114 is fluidly connected to an air pressure source (not shown) and is actuated by this air pressure source. By controlling the degree to which the valves in each group close the microfluidic channel 112, the valves 114 can act as variable resistors for the voltage divider. In this way, valves can be used to allow potentials to pass through selected microfluidic channels to generate a uniform electric field along the region of the membrane.

空気圧駆動のマイクロバルブを含めることは、マイクロ流体での大規模な一体化を達成するための実用的な方法である。それは、数個の電極で、各マイクロチャネル群における膜の両側の電位差の値をオンチップで独立して制御するしっかりした方法である。マイクロバルブは、膜の様々な領域における電場の正確な制御を可能にする分圧器(マイクロチャネルで抵抗>10GΩのシールを提供する)として機能する。この制御は、膜の両側で流体チャネルのどこかに配置された単一の電極対を用いて、作製、サイズ制御、センシング用の任意の数のナノポアを扱う能力を付与し、電位をリダイレクトして単一の一対の電極を使用して特定のマイクロチャネル(生体分子検出のための重要な特徴)で膜の長さに沿って均一な電場を発生させるのに使用でき、共通に使用されるマイクロチャネルを含むデバイス(複数のナノポアを用いた単一サンプルの直列および並列プロービングに必要な特徴)でのアレイ作製とセンシングに必要であり、様々な溶媒、イオン強度、pHまたは検体を含む溶液の迅速な交換を可能にして作製およびセンシングを容易にし、オンチップ
作製と生体分子センシング用の可変の流体抵抗および電気抵抗器を含むという点で、デバイスのスケーラビリティと機能性のために必要である。また、バルブおよびチャネルの断面の疎水性を保持することは、作製とセンシング時に膜全体の電場の大きさと均一性を制御するのに使用される高抵抗シールを得るために重要であることにも留意されたい。これは、組み立て前にデバイスの各層を化学処理することで達成され、バルブ断面を親水性のままにするコンタミナントを除去するために膜をプラズマ処理する必要がなくなる。
Including pneumatically driven microvalves is a practical way to achieve large-scale integration in microfluidics. It is a solid method of controlling the value of the potential difference on both sides of the membrane in each microchannel group independently on-chip with several electrodes. The microvalve acts as a voltage divider (providing a seal with resistance> 10 GΩ on the microchannel) that allows precise control of the electric field in various regions of the membrane. This control gives the ability to handle any number of nanopores for fabrication, size control, sensing, and redirects potential using a single electrode pair located somewhere in the fluid channel on either side of the membrane. Can be used to generate a uniform electric field along the length of the membrane on a particular microchannel (an important feature for biomolecule detection) using a single pair of electrodes and is commonly used. Required for array fabrication and sensing on devices containing microchannels (features required for series and parallel probing of single samples with multiple nanopores), for solutions containing various solvents, ionic strengths, pH or specimens. It is required for device scalability and functionality in that it allows for rapid exchange, facilitates fabrication and sensing, and includes variable fluid and electrical resistors for on-chip fabrication and biomolecule sensing. Preserving the hydrophobicity of the valve and channel cross sections is also important for obtaining high resistance seals used to control the magnitude and uniformity of the electric field throughout the membrane during fabrication and sensing. Please note. This is achieved by chemically treating each layer of the device prior to assembly, eliminating the need to plasma the membrane to remove contaminants that leave the valve cross section hydrophilic.

これらの抵抗バルブの制御を利用して、少ない数の電極でマイクロ流体ネットワークにおける異なる位置を特定の電位条件にすることができる。この実施形態では、一対の電極を使用することができる。電極116は、膜の両側のマイクロ流体チャネルに配置される(上側の電極のみ図11に示すが、下側電極も同様に膜の下に位置する)。上述した違いを除いて、装置110は、図2Aとの関連で説明した装置と同様である。 The control of these resistance valves can be utilized to bring different positions in the microfluidic network to specific potential conditions with a small number of electrodes. In this embodiment, a pair of electrodes can be used. Electrodes 116 are located in the microfluidic channels on both sides of the membrane (only the upper electrode is shown in FIG. 11, but the lower electrode is similarly located below the membrane). Except for the differences described above, device 110 is similar to the device described in the context of FIG. 2A.

図12および図13は、空気圧駆動のマイクロバルブ技術を使用する装置の他の例示的な実施形態を示す。図12において、装置120は、装置110と同様であるが、経路指定バルブ121および第2の上側の電極116をさらに含む。動作時、経路指定バルブ121は閉じたままであり、イオン溶液は、図に示すように膜の左右両側から、膜12に向かってチャネルを流れる。経路指定バルブ121は、実際には2つのマイクロ流体サブシステムを作り出す。チャネルが2つのマイクロ流体サブシステムの各々において5本の別個のマイクロ流体チャネルに分割される上流側に、1つの電極が配置される。 12 and 13 show other exemplary embodiments of the device using pneumatically driven microvalve technology. In FIG. 12, device 120 is similar to device 110, but further includes a routing valve 121 and a second upper electrode 116. During operation, the routing valve 121 remains closed and the ionic solution flows through the channel from both the left and right sides of the membrane towards the membrane 12 as shown. The routing valve 121 actually creates two microfluidic subsystems. One electrode is located upstream where the channel is divided into five separate microfluidic channels in each of the two microfluidic subsystems.

図13は、類似の装置130を示すが、2つのマイクロ流体チャネル112のみを有する。同様に、2つの上側の電極が膜の両側に配置され、2つのマイクロ流体チャネルが膜の一部を通過する。2つの制御バルブ114が各マイクロ流体チャネル112に配置され、一方は膜の上流に、他方は膜の下流に配置される。上述した違いを除いて、これら2つの装置120、130は、図11との関連で説明した装置と同様である。 FIG. 13 shows a similar device 130, but with only two microfluidic channels 112. Similarly, two upper electrodes are placed on either side of the membrane and two microfluidic channels pass through a portion of the membrane. Two control valves 114 are located in each microfluidic channel 112, one upstream of the membrane and one downstream of the membrane. Except for the differences described above, these two devices 120, 130 are similar to the devices described in the context of FIG.

実施形態の前述の説明は、例示および説明のために提供されたものである。網羅的であること、または開示を限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は通常その特定の実施形態に限定されないが、該当する場合には、具体的に図示または説明がなくても入れ替えることが可能であり、選択された実施形態で使用できる。同じことが多くの点で変更可能である。そのような変形例は本開示からの逸脱とみなすべきではなく、そのような改変のすべては、本開示の範囲内に含まれることが意図される。 The above description of the embodiments are provided for illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit disclosure. The individual elements or features of a particular embodiment are usually not limited to that particular embodiment, but where applicable, they can be interchanged without specific illustration or description and selected embodiments. Can be used in. The same can be changed in many ways. Such modifications should not be considered as deviations from this disclosure, and all such modifications are intended to be included within the scope of this disclosure.

本明細書で使用する用語は、特定の例示的な実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数「a」、「an」および「the」は、文脈がそうでないことを明確に示す場合の除き、複数も含むことが意図されている。「comprise」、「comprising」、「including」、「having」という表現は包括的であり、表記の特徴、整数、ステップ、操作、要素および/または構成要素の存在を含んで特定するが、1つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素および/またはそれらの群の追加や存在を排除するものではない。本明細書に記載された方法ステップ、プロセス、動作は、性能の順序として具体的に特定されない限り、必ずしも説明または図示された特定の順序で性能を必要とすると解釈されるべきではない。追加または代わりのステップを用いてもよい旨を、理解されたい。 The terms used herein are for the purpose of describing particular exemplary embodiments only and are not intended to be limiting. As used herein, the singular "a," "an," and "the" are intended to include more than one, unless the context explicitly indicates otherwise. The expressions "comprise," "comprising," "inclusion," and "having" are comprehensive and identify including notational features, integers, steps, operations, elements and / or the presence of components, but one. It does not preclude the addition or existence of the above other features, integers, steps, behaviors, elements, components and / or groups thereof. The method steps, processes, and operations described herein should not necessarily be construed as requiring performance in the particular order described or illustrated, unless specifically specified as the order of performance. Please understand that additional or alternative steps may be used.

ある要素または層が別の要素または層の「上に」、「係合され」、「接続され」または「連結され」といわれる場合、他の要素もしくは層または介在する要素または層が存在してもよい。対照的に、ある要素が別の要素または層の「上に直接的に」、「直接的に係合
され」、「直接的に接続され」または「直接的に連結され」といわれる場合、介在する要素または層は存在しない。要素間の関係を記述するために使用される他の単語は、同様のやり方で解釈されるべきである(例えば、「間」と「直接」、「隣接」と「直接隣接」など)。本明細書で使用する場合、「および/または」という語は、関連する列挙された項目の1つまたは複数の任意のおよびすべての組み合わせを含む。
When one element or layer is said to be "on", "engaged", "connected" or "connected" to another element or layer, then another element or layer or intervening element or layer is present. May be good. In contrast, if one element is said to be "directly on top", "directly engaged", "directly connected" or "directly connected" to another element or layer, it intervenes. There is no element or layer to do. Other words used to describe relationships between elements should be interpreted in a similar manner (eg, "between" and "directly", "adjacent" and "directly adjacent"). As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the related listed items.

第1、第2、第3などの用語は、本明細書では様々な要素、構成要素、領域、層および/またはセクションを記述するために使用されるが、これらの要素、構成要素、領域、層および/またはセクションは、これらの用語に限定されるべきではない。これらの用語は、1つの要素、構成要素、領域、層またはセクションを他の領域、層またはセクションと区別するだけのために使用されることもある。「第1」、「第2」および他の数値的な表現は、文脈によって明白に示されない限り、順序または順番を意味しない。したがって、以下に説明する第1の要素、構成要素、領域、層またはセクションは、例示的な実施形態の教示内容から逸脱することなく、第2の要素、構成要素、領域、層またはセクションと呼ぶことができる。 Terms such as first, second, and third are used herein to describe various elements, components, areas, layers and / or sections, but these elements, components, areas, Layers and / or sections should not be limited to these terms. These terms may be used solely to distinguish one element, component, area, layer or section from another area, layer or section. "First", "second" and other numerical expressions do not imply order or order unless explicitly indicated by the context. Therefore, the first element, component, region, layer or section described below is referred to as the second element, component, region, layer or section without departing from the teaching content of the exemplary embodiment. be able to.

「inner」、「outer」、「beneath」、「below」、「lower」、「above」、「upper」などの空間に関連する用語は、図に示されているように、ある要素または機能と他の要素または機能への関係を説明しやすくするためのものである。空間的に相対的な語は、図示の向きに加えて、使用または操作時のデバイスの異なる向きを包含することを意図してもよい。例えば、図中のデバイスをひっくり返すと、他の要素または機能の「below(下)」または「beneath(下)」に記載された要素は、他の要素または機能の「above(上)」に配置される。従って、「below」という用語例は、上と下の両方向を含むことができる。このデバイスは、それ以外の方向に向ける(90度回転させるか、他の方向に回転させる)ことができ、したがって、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。
Space-related terms such as "inner,""outer,""beneath,""below,""lower,""above," and "upper" are associated with an element or function, as shown in the figure. It is intended to make it easier to explain the relationship to other elements or functions. Spatial relative terms may be intended to include different orientations of the device during use or operation, in addition to the orientations shown. For example, when the device in the figure is turned over, the elements described in "below (bottom)" or "beneath (bottom)" of other elements or functions are placed in "above (top)" of other elements or functions. Will be done. Thus, the term "below" can include both up and down directions. The device can be oriented in any other direction (rotate 90 degrees or in any other direction), and therefore the spatially relative descriptors used herein are interpreted accordingly. Will be done.

Claims (33)

対向する平面を画定し、少なくとも1つの誘電体層で構成される膜に、1つ以上のナノポアを作製するための装置であって、
共通に使用されるマイクロチャネルが露出面に形成された第1の基板と、
前記第1の基板の前記露出面上に配置され、膜を保持するように構成された支持体と、
内側の面に1本以上のマイクロ流体チャネルが形成された第2の基板であって、前記1本以上のマイクロ流体チャネルが前記膜によって前記共通に使用されるマイクロチャネルから流体的に分離されるように前記内側の面が前記支持体と向かい合うようにして前記支持体上に配置された第2の基板と、
前記膜の一方の側に配置された基準電極と、前記膜の反対側に配置された2つ以上の追加の電極と、を含む一組の電極と、を備え、
前記一組の電極は、前記膜の両側に電位差を発生させ、前記2つ以上の追加の電極は、前記膜全体の前記電場が均一になるように前記膜に対して配置されている、装置。
A device for forming one or more nanopores on a film composed of at least one dielectric layer that defines opposing planes.
A first substrate with commonly used microchannels formed on the exposed surface,
A support arranged on the exposed surface of the first substrate and configured to hold the film, and
A second substrate in which one or more microfluidic channels are formed on the inner surface, wherein the one or more microfluidic channels are fluidly separated from the commonly used microchannels by the membrane. A second substrate arranged on the support so that the inner surface faces the support as described above.
A set of electrodes comprising a reference electrode disposed on one side of the membrane and two or more additional electrodes disposed on the opposite side of the membrane.
The set of electrodes creates a potential difference on both sides of the membrane, and the two or more additional electrodes are arranged relative to the membrane so that the electric field of the entire membrane is uniform. ..
前記膜の前記電位差が、0.1ボルト/ナノメートルより大きい値を有する前記電場を生じる、請求項1に記載の装置。 The device of claim 1, wherein the potential difference of the film produces the electric field having a value greater than 0.1 volt / nanometer. 前記電極のうちの1つに電気的に連結され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルのうちの1つと前記共通に使用されるマイクロチャネルとの間を流れる電流を測定するように動作可能な電流センサと、
前記電流センサとインタフェースされたコントローラと、をさらに備え、前記コントローラは、前記膜を貫通するポアの形成を示す前記測定された電流の急な増加を検出し、前記測定された電流の前記急な増加の検出に応答して、前記膜の両側に発生させた電位差を消失させる、請求項1に記載の装置。
A current that is electrically connected to one of the electrodes and can operate to measure the current flowing between one of the one or more microfluidic channels and the commonly used microchannel. With the sensor
Further comprising a controller interfaced with the current sensor, the controller detects a sudden increase in the measured current indicating the formation of pores penetrating the membrane and the sudden increase in the measured current. The device according to claim 1, wherein the potential difference generated on both sides of the membrane disappears in response to the detection of the increase.
前記2つ以上の追加の電極は、前記膜の上流で前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置された第1の電極と、前記膜の下流で前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置された第2の電極と、を含む、請求項1に記載の装置。 The two or more additional electrodes were arranged in a first electrode located upstream of the membrane in the one or more microfluidic channels and downstream of the membrane in the one or more microfluidic channels. The device of claim 1, comprising a second electrode. 前記一組の電極は、一方が前記膜の上流、前記他方が前記膜の下流であるように、前記共通に使用されるマイクロチャネルに配置された2つの基準電極を含む、請求項4に記載の装置。 4. The set of electrodes comprises two reference electrodes arranged in the commonly used microchannel such that one is upstream of the membrane and the other is downstream of the membrane. Equipment. 前記支持体は、前記膜に隣接する領域に形成され、前記第1の基板に設けられた前記共通に使用されるマイクロチャネルと流体的に連結されたテーパ凹部をさらに含む、請求項1に記載の装置。 The first aspect of the present invention, wherein the support is formed in a region adjacent to the membrane and further includes a tapered recess fluidly connected to the commonly used microchannel provided on the first substrate. Equipment. 複数組の電極と、前記第2の基板の前記内側の面に形成された複数のマイクロ流体チャネルとをさらに備え、前記複数のマイクロ流体チャネルに設けられたマイクロチャネルが各々、関連した一組の電極を有する、請求項1に記載の装置。 A set of electrodes and a plurality of microfluidic channels formed on the inner surface of the second substrate are further provided, and a set of microchannels provided in the plurality of microfluidic channels are related to each other. The device according to claim 1, which has an electrode. 前記支持体上に直接配置され、かつ、前記支持体と前記第2の基板との間に配置された中間層であって、少なくとも1つのビアが形成され、前記ビアの近傍で均一である電場を発生させるように構成されている前記中間層をさらに備える、請求項1に記載の装置。 An electric field that is an intermediate layer that is arranged directly on the support and is arranged between the support and the second substrate, in which at least one via is formed and is uniform in the vicinity of the via. The apparatus according to claim 1, further comprising the intermediate layer configured to generate the above. 前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、寸法がミクロンのオーダーである、請求項1に記載の装置。 The device of claim 1, wherein the one or more microfluidic channels are on the order of microns. 前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、寸法がナノメートルのオーダーである、請求
項1に記載の装置。
The device of claim 1, wherein the one or more microfluidic channels are on the order of nanometers.
対向する平面を画定し、少なくとも1つの誘電体層で構成される膜に、1つ以上のナノポアを作製するための装置であって、
共通に使用されるマイクロチャネルが露出面に形成された第1の基板と、
前記第1の基板の前記露出面上に配置され、膜を保持するように構成された支持体と、
前記支持体上に配置され、少なくとも1つのビアが形成された中間層と、
内側の面に1本以上のマイクロ流体チャネルが形成された第2の基板であって、前記1本以上のマイクロ流体チャネルが前記膜によって前記共通に使用されるマイクロチャネルから流体的に分離されるように前記内側の面が前記支持体と向かい合うようにして前記中間層上に配置された第2の基板と、
前記膜の表裏に配置された一対の電極と、を備え、
前記一対の電極は、前記膜の両側に電位差を発生させ、前記中間層の前記少なくとも1つのビアは、前記1本以上のマイクロ流体チャネルを前記膜の露出面と流体的に連結し、前記ビアの中と周囲で均一な電場を発生させるように構成されている、装置。
A device for forming one or more nanopores on a film composed of at least one dielectric layer that defines opposing planes.
A first substrate with commonly used microchannels formed on the exposed surface,
A support arranged on the exposed surface of the first substrate and configured to hold the film, and
An intermediate layer arranged on the support and formed with at least one via.
A second substrate in which one or more microfluidic channels are formed on the inner surface, wherein the one or more microfluidic channels are fluidly separated from the commonly used microchannels by the membrane. A second substrate arranged on the intermediate layer so that the inner surface faces the support as described above.
A pair of electrodes arranged on the front and back surfaces of the film,
The pair of electrodes generate potential differences on both sides of the membrane, and the at least one via in the intermediate layer fluidly connects the one or more microfluidic channels to the exposed surface of the membrane and said vias. A device that is configured to generate a uniform electric field in and around it.
前記膜の前記電位差が、0.1ボルト/ナノメートルより大きい値を有する前記電場を生じる、請求項11に記載の装置。 The device of claim 11, wherein the potential difference of the film produces the electric field having a value greater than 0.1 volt / nanometer. 前記電極のうちの1つに電気的に連結され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルのうちの1つと前記共通に使用されるマイクロチャネルとの間を流れる電流を測定するように動作可能な電流センサと、
前記電流センサとインタフェースされたコントローラと、をさらに備え、前記コントローラは、前記膜を貫通するポアの形成を示す前記測定された電流の急な増加を検出し、前記測定された電流の前記急な増加の検出に応答して、前記膜の両側に発生させた電位差を消失させる、請求項11に記載の装置。
A current that is electrically connected to one of the electrodes and can operate to measure the current flowing between one of the one or more microfluidic channels and the commonly used microchannel. With the sensor
Further comprising a controller interfaced with the current sensor, the controller detects a sudden increase in the measured current indicating the formation of pores penetrating the membrane and the sudden increase in the measured current. The device according to claim 11, wherein the potential difference generated on both sides of the membrane disappears in response to the detection of the increase.
前記少なくとも1つのビアの深さが、前記少なくとも1つのビアの直径より大きい、請求項10に記載の装置。 The device of claim 10, wherein the depth of the at least one via is greater than the diameter of the at least one via. 前記第2の基板は、前記内側の面に形成されたマイクロ流体チャネルのアレイを含み、前記中間層は、各々がマイクロ流体チャネルの前記アレイにおける前記マイクロ流体チャネルのうちの1つと整列配置されるようにして、複数のビアを含む、請求項10に記載の装置。 The second substrate comprises an array of microfluidic channels formed on the inner surface, each of which is aligned with one of the microfluidic channels in the array of microfluidic channels. The device according to claim 10, wherein the apparatus includes a plurality of vias in this manner. 対向する平面を画定し、少なくとも1つの誘電体層で構成される膜に、1つ以上のナノポアを作製するための装置であって、
共通に使用されるマイクロチャネルが露出面に形成された第1の基板と、
前記第1の基板の前記露出面上に配置され、膜を保持するように構成された支持体と、
内側の面に1本以上のマイクロ流体チャネルが形成された第2の基板であって、前記1本以上のマイクロ流体チャネルが前記膜によって前記共通に使用されるマイクロチャネルから流体的に分離されるように前記内側の面が前記支持体と向かい合うようにして前記支持体上に配置された第2の基板と、
前記膜の表裏に配置された一対の電極と、を備え、
前記一対の電極は、前記膜の両側に電位差を発生させ、前記1本以上のマイクロ流体チャネルは、前記膜の前記領域全体に均一な電場を発生させるようにして前記膜に隣接して通っている、装置。
A device for forming one or more nanopores on a film composed of at least one dielectric layer that defines opposing planes.
A first substrate with commonly used microchannels formed on the exposed surface,
A support arranged on the exposed surface of the first substrate and configured to hold the film, and
A second substrate in which one or more microfluidic channels are formed on the inner surface, wherein the one or more microfluidic channels are fluidly separated from the commonly used microchannels by the membrane. A second substrate arranged on the support so that the inner surface faces the support as described above.
A pair of electrodes arranged on the front and back surfaces of the film,
The pair of electrodes generate potential differences on both sides of the membrane, and the one or more microfluidic channels pass adjacent to the membrane so as to generate a uniform electric field over the region of the membrane. There is a device.
前記一対の電極のうち前記一方が前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルが前記電極の下流でループを形成し、前記ループの一
部が前記膜の上を通っている、請求項16に記載の装置。
One of the pair of electrodes is arranged in the one or more microfluidic channels, the one or more microfluidic channels form a loop downstream of the electrode, and a part of the loop is on the membrane. The device of claim 16, which passes through.
前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルを通る流れの量を制御するように動作する制御バルブをさらに備える、請求項16に記載の装置。 16. The apparatus of claim 16, further comprising a control valve arranged in the one or more microfluidic channels and operating to control the amount of flow through the one or more microfluidic channels. 前記制御バルブは、空気圧源と流体的に連結され、前記空気圧源によって作動されるエラストマーポリマーとしてさらに規定される、請求項18に記載の装置。 The device of claim 18, wherein the control valve is fluidly coupled to the pneumatic source and further defined as an elastomeric polymer actuated by the pneumatic source. 前記第2の基板は、その内側の面に形成されたマイクロ流体チャネルのアレイを含み、前記マイクロ流体チャネルのアレイの各マイクロ流体チャネルは、前記膜の一部を通り、少なくとも2つの制御バルブが内部に配置され、一方のバルブは前記膜の上流に配置され、他方のバルブは前記膜の下流に配置されている、請求項16に記載の装置。 The second substrate comprises an array of microfluidic channels formed on its inner surface, with each microfluidic channel of the array of microfluidic channels passing through a portion of the membrane and at least two control valves. 16. The device of claim 16, wherein the device is located internally, one valve located upstream of the membrane and the other valve located downstream of the membrane. 前記膜の前記電位差の前記値は、前記マイクロ流体チャネルのアレイに配置された前記制御バルブを通る流れを調節することによって制御される、請求項20に記載の装置。 20. The apparatus of claim 20, wherein the value of the potential difference of the membrane is controlled by adjusting the flow through the control valve arranged in the array of microfluidic channels. 膜に1つ以上のナノポアを作製するための装置であって、
共通に使用されるマイクロチャネルが露出面に形成された第1の基板と
前記第1の基板の前記露出面上に配置され、対向する平面を画定し、少なくとも1つの誘電体層で構成される膜と、
内側の面に1本以上のマイクロ流体チャネルが形成された第2の基板であって、前記1本以上のマイクロ流体チャネルが前記膜によって前記共通に使用されるマイクロチャネルから流体的に分離されるように前記内側の面が前記膜と向かい合うようにして前記膜上に配置された第2の基板と、
前記膜の一方の側に配置された2つの基準電極と、前記膜の反対側に配置された2つ以上の追加の電極と、を含む一組の電極と、を備え、
前記一組の電極は、前記膜の両側に電位差を発生させ、前記膜の前記電場が均一になるように前記膜に対して配置されている、装置。
A device for producing one or more nanopores on a membrane.
Commonly used microchannels are arranged on the exposed surface of the first substrate and the first substrate formed on the exposed surface, demarcate facing planes, and consist of at least one dielectric layer. Membrane and
A second substrate in which one or more microfluidic channels are formed on the inner surface, wherein the one or more microfluidic channels are fluidly separated from the commonly used microchannels by the membrane. With the second substrate arranged on the film so that the inner surface faces the film as described above.
A set of electrodes comprising two reference electrodes disposed on one side of the membrane and two or more additional electrodes disposed on opposite sides of the membrane.
A device in which the set of electrodes is arranged with respect to the film so that a potential difference is generated on both sides of the film and the electric field of the film is uniform.
前記膜の前記電位差が、0.1ボルト/ナノメートルより大きい値を有する前記電場を生じる、請求項22に記載の装置。 22. The apparatus of claim 22, wherein the potential difference of the film produces the electric field having a value greater than 0.1 volt / nanometer. 前記電極のうちの1つに電気的に連結され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルのうちの1つと前記共通に使用されるマイクロチャネルとの間を流れる電流を測定するように動作可能な電流センサと、
前記電流センサとインタフェースされたコントローラと、をさらに備え、前記コントローラは、前記膜を貫通するポアの形成を示す前記測定された電流の急な増加を検出し、前記測定された電流の前記急な増加の検出に応答して、前記膜の両側に発生させた電位差を消失させる、請求項22に記載の装置。
A current that is electrically connected to one of the electrodes and can operate to measure the current flowing between one of the one or more microfluidic channels and the commonly used microchannel. With the sensor
Further comprising a controller interfaced with the current sensor, the controller detects a sudden increase in the measured current indicating the formation of pores penetrating the membrane and the sudden increase in the measured current. 22. The apparatus of claim 22, which eliminates the potential difference generated on either side of the membrane in response to detection of an increase.
前記2つの追加の電極は、前記膜の上流で前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置された第1の電極と、前記膜の下流で前記1本以上のマイクロ流体チャネルに配置された第2の電極と、を含む、請求項22に記載の装置。 The two additional electrodes are a first electrode arranged in the one or more microfluidic channels upstream of the membrane and a second electrode arranged in the one or more microfluidic channels downstream of the membrane. 22. The apparatus of claim 22, comprising. 前記2つの基準電極は、一方が前記膜の上流、他方が前記膜の下流であるように、前記共通に使用されるマイクロチャネルに配置されている、請求項25に記載の装置。 25. The apparatus of claim 25, wherein the two reference electrodes are arranged in the commonly used microchannel such that one is upstream of the membrane and the other is downstream of the membrane. 前記第2の基板の前記内側の面に形成された複数のマイクロ流体チャネルと、複数組の電極とをさらに備え、前記複数のマイクロ流体チャネルに設けられたマイクロチャネルが
各々、関連した一組の電極を有する、請求項22に記載の装置。
A plurality of microfluidic channels formed on the inner surface of the second substrate and a plurality of sets of electrodes are further provided, and a set of microchannels provided in the plurality of microfluidic channels are associated with each other. 22. The device of claim 22, which has an electrode.
膜に1つ以上のナノポアを作製するための装置であって、
共通に使用されるマイクロチャネルが露出面に形成された第1の基板と
前記第1の基板の前記露出面上に配置され、対向する平面を画定し、少なくとも1つの誘電体層で構成される膜と、
前記膜上に配置され、少なくとも1つのビアが形成された中間層と、
内側の面に1本以上のマイクロ流体チャネルが形成された第2の基板であって、前記1本以上のマイクロ流体チャネルが前記膜によって前記共通に使用されるマイクロチャネルから流体的に分離されるように前記内側の面が前記支持体と向かい合うようにして前記中間層上に配置された第2の基板と、
前記膜の表裏に配置された一対の電極と、を備え、
前記一対の電極は、前記膜の両側に電位差を発生させ、前記中間層の前記少なくとも1つのビアは、前記1本以上のマイクロ流体チャネルを前記膜の露出面と流体的に連結し、前記ビアの中と周囲で均一な電場を発生させるように構成されている、装置。
A device for producing one or more nanopores on a membrane.
Commonly used microchannels are arranged on the exposed surface of the first substrate and the first substrate formed on the exposed surface, demarcate facing planes, and consist of at least one dielectric layer. Membrane and
An intermediate layer arranged on the membrane and formed with at least one via,
A second substrate in which one or more microfluidic channels are formed on the inner surface, wherein the one or more microfluidic channels are fluidly separated from the commonly used microchannels by the membrane. A second substrate arranged on the intermediate layer so that the inner surface faces the support as described above.
A pair of electrodes arranged on the front and back surfaces of the film,
The pair of electrodes generate potential differences on both sides of the membrane, and the at least one via in the intermediate layer fluidly connects the one or more microfluidic channels to the exposed surface of the membrane and said vias. A device that is configured to generate a uniform electric field in and around it.
前記膜の前記電位差が、0.1ボルト/ナノメートルより大きい値を有する前記電場を生じる、請求項28に記載の装置。 28. The apparatus of claim 28, wherein the potential difference of the film produces the electric field having a value greater than 0.1 volt / nanometer. 前記電極のうちの1つに電気的に連結され、前記1本以上のマイクロ流体チャネルのうちの1つと前記共通に使用されるマイクロチャネルとの間を流れる電流を測定するように動作可能な電流センサと、
前記電流センサとインタフェースされたコントローラと、をさらに備え、前記コントローラは、前記膜を貫通するポアの形成を示す前記測定された電流の急な増加を検出し、前記測定された電流の前記急な増加の検出に応答して、前記膜の両側に発生させた電位差を消失させる、請求項28に記載の装置。
A current that is electrically connected to one of the electrodes and can operate to measure the current flowing between one of the one or more microfluidic channels and the commonly used microchannel. With the sensor
Further comprising a controller interfaced with the current sensor, the controller detects a sudden increase in the measured current indicating the formation of pores penetrating the membrane and the sudden increase in the measured current. 28. The apparatus of claim 28, which eliminates the potential difference generated on either side of the membrane in response to detection of an increase.
前記少なくとも1つのビアの深さが、前記少なくとも1つのビアの直径より大きい、請求項28に記載の装置。 28. The apparatus of claim 28, wherein the depth of the at least one via is greater than the diameter of the at least one via. 前記第2の基板は、前記内側の面に形成されたマイクロ流体チャネルのアレイを含み、前記中間層は、各々がマイクロ流体チャネルの前記アレイにおける前記マイクロ流体チャネルのうちの1つと整列配置されるようにして、複数のビアを含む、請求項28に記載の装置。 The second substrate comprises an array of microfluidic channels formed on the inner surface, each of which is aligned with one of the microfluidic channels in the array of microfluidic channels. 28. The device of claim 28, thus comprising a plurality of vias. 対向する平面を画定し、少なくとも1つの誘電体層で構成される膜に、1つ以上のナノポアを作製するための装置であって、
共通に使用されるマイクロチャネルが露出面に形成された第1の基板と、
前記第1の基板の前記露出面上に配置され、膜を保持するように構成された支持体と、
内側の面にマイクロ流体チャネルのアレイが形成された第2の基板であって、前記マイクロ流体チャネルのアレイが前記膜によって前記共通に使用されるマイクロチャネルから流体的に分離されるように前記内側の面が前記支持体と向かい合うようにして前記支持体上に配置され、前記マイクロ流体チャネルのアレイの各マイクロ流体チャネルは、前記膜上の一部を通り、一方が前記膜の上流、他方が前記膜の下流になるように少なくとも2つの制御バルブが内部に配置された、第2の基板と、
前記膜の表裏に配置された一対の電極と、を備え、
前記一対の電極は、前記膜の両側に電位差を発生させる、装置。
A device for forming one or more nanopores on a film composed of at least one dielectric layer that defines opposing planes.
A first substrate with commonly used microchannels formed on the exposed surface,
A support arranged on the exposed surface of the first substrate and configured to hold the film, and
A second substrate with an array of microfluidic channels formed on the inner surface, said inner so that the array of microfluidic channels is fluidly separated from the commonly used microchannel by the membrane. Each microfluidic channel in the array of microfluidic channels passes through a portion of the membrane, one upstream of the membrane and the other A second substrate with at least two control valves internally located downstream of the membrane.
A pair of electrodes arranged on the front and back surfaces of the film,
The pair of electrodes is a device that generates a potential difference on both sides of the film.
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